数字电源管理架构的探讨

电源

　　随着电源技术的发展，数字电源管理技术越来越多地应用于各类系统中。当今的大多数系统除了主要的CPU、逻辑电路 FPGA、DDR等数字芯片外，就只剩下电源管理芯片了，因此电源管理芯片的可控性和集成度就显得极为重要了，数字电源管理正是顺应了市场的这种需求。
　　数字电源管理的几种主要架构
　　随着电源管理技术的发展，数字电源管理逐步成为业界公认的发展方向，I2C/SMBus物理接口成为通用的标准数字电源管理接口，PMBus协议也成为通用数字电源管理协议。但是在不同的应用阶段和应用环境下，数字电源管理技术也衍化为几种不同的系统架构。
　　使用集中式的数字电源管理IC+模拟电源产品，这种架构多见于几年前的设计。由于系统厂商对于电源监测和控制的需要，而数字控制式电源产品的相对稀缺，这种架构暂时可以满足系统设计厂商的需求，从而被广泛应用于各种高性能系统。这种架构的特点就是使用带有电压、电流采样的专用数字IC，对每个分立式的模拟电源的输入输出电压、电流等进行采样然后经过系统分析进行调节或者输出到主控IC。这种架构我们可以称之为集中式数字电源管理架构(图1)。这类方案的代表作为Linear Technology的LTC2978。

　　图1，集中式数字电源管理架构。

　　单个电源管理IC集成多路电源轨，系统主控IC通过总线对各个电源轨进行监控。这种系统架构也就是我们通常所说的PMIC架构。这种架构多用于小维型系统，例如手持设备等。这种系统一般情况只需使用单个PMIC来管理整个系统。系统主控IC通过PMIC的I2C/SMBus接口直接管理各个电源轨，达到高效和高集成度的目的。这类产品的代表作有Intersil公司的ISL9305H，这个产品在单个芯片中集成了两路开关稳压器和两路线性稳压器，使用I2C的标准接口与主控IC进行通信，达到高集成度和可控性的目的。
　　使用带有I2C/SMBus接口的专用数字电源产品，系统主控IC通过总线对各个分立式电源轨进行管理，这种架构的特点是使用通用的数字式电源管理产品，每个系统电源轨通过独有的地址连接到系统总线上，主控IC通过地址对相应的电源轨进行监测和控制。这类产品的代表作有Intersil的Zilker Labs数字电源产品系列(图2)。

　　图2，分布式数字电源管理架构。

　　不同数字电源管理架构的特点
　　第一种架构由于实现比较简单，系统设计者可以保持原有的模拟电源产品不变，只是外加一个专用的数字电源管理IC就可以实现，因而被广泛应用于现有的各种高性能的系统中。但这种架构也有其固有的缺点，由于系统中的各个电源轨分布于系统板的不同位置，管理IC需要单独对每个电源轨进行采样、检测和控制，这样就需要为每个电源轨配置复杂的电压、电流以及温度等监控电路。一方面，模拟电源解决方案本身需要大量的外围电路保证其可靠性，同时外围的监控线路还会增加系统板的布线困难，从而降低系统板的集成度；另一方面，这些监控线路多是小信号线路，抗干扰能力差，很容易受到外部噪声的干扰造成采样错误，从而导致可靠性问题。
　　第二种架构，由于PMIC产品本身的局限性，虽然其可靠性和功率密度都非常好，但是适应性较差，只适用于某些特定的小微型系统；而大型系统，例如工业控制系统、通信基站系统、高速数据处理系统等应用，由于系统功能复杂，功能模块多，供电模块功率也大得多，电源管理系统比较复杂，PMIC满足不了这类应用。而对于像手机、手持式移动互联网设备这种类似的小微型系统，由于其功能模块相对固定，供电架构就比较单一，PMIC恰恰可以满足这类设备的要求，将系统所需要的所有电源轨集成到单个电源管理IC中，将电源管理方案的集成度提到最高。
　　第三种架构由于实现简单，控制策略方便易行，同时通过总线对各个分立的电源轨进行控制，外部走线少，可靠性高，抗干扰能力强，因而近年开始被广泛应用于各个高性能及高集成度的系统中。另外传统的高性能电源芯片供应商Intersil、Linear、ti等都有相应的数字电源解决方案，随着其推广力度的加强及出货量的增加，成本也已经降低到了一个合理的范围内，系统设计者开始越来越青睐这种方案了。
　　而这其中的佼佼者Intersil，更是将数字电源产品的优点发挥到了极致，极大地推进了分布式数字电源系统的发展。Intersil的Zilker Labs系列数字电源管理控制芯片采用先进的全数字控制模式，将电源解决方案的功率密度做到了业界最高的程度。并且针对分布式电源架构的可靠性要求，给出了多个芯片级解决方案以方便客户配合系统进行优化。
　　以Intersil数字电源产品的代表芯片ZL6105为例，这款数字电源芯片采用全数字的控制方法，采用I2C/SMBus接口，可使用PMBus协议指令集对其进行管理，它使用特殊的电源管理处理器+状态机的模式来实现数字控制。这种数字控制器的优点在于：一方面可以避免软件跑飞造成电源崩溃；另一方面也避免了软件计算环节产生的延时，实现了更快的反馈环路的响应，使电源方案的动态响应效果大大提升(图3)。

　　另外此芯片还充分考虑到电源可靠性需求。采用分布式电源架构的一个主要风险就在于当电源的功率部分产生故障的时候，如果芯片的通信部分也出现故障，不仅可能导致系统失控，使数字电源易于维护的优势丧失，而且还有可能导致整个系统损毁。ZL6105这款芯片在设计之初就充分考虑到这个风险，将芯片的通信部分和功率部分分开来设计并进行隔离，使功率部分即使出现故障也不会影响到通信部分的功能，这样系统的各种保护和报警部分仍然可以正常工作，这样就可以将系统损毁的风险降到最低。
　　ZL6105还内置了自动补偿算法，在方便系统设计师使用的同时，自动补偿算法更可以优化电源的动态响应，使电源的可靠性和稳定性更佳。ZL6105的自动补偿功能还可以将系统的仿真特性通过三个有效的参数(这三个参数分别是增益Gc，品质因素Q和自然频率F)输出到用户界面，用户通过读取这三个参数可以更深层次地了解该电源方案的外部输出特性，并且通过长期跟踪其特性的变化还可以通过这组参数的统计数据来对系统的可靠性进行有效评估。这个特性也为系统长期可靠性的评估指出了一个可行的方向。

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