数字电源管理技术及应用详解

2018-11-30 17:21:57

1516 数字电源处理器 soc

本文介绍了数字电源的基本特点、数字电源相比于模拟电源的优势和数字电源管理的主要内容，也介绍了数字电源管理技术的应用。
新一代集成电路需要3.3V，1.8V甚至更低的电源电压，单个器件需要多路电压供电，而且电流的需求很大，电压也必须以正确的时序加到器件上。为这些器件供电的电压必须在电路板上（最好在距离这些器件近的地方）产生，以使压降最小和电压稳定。高性能的DC/DC转换器适用于宽范围输入，既可作为隔离式电源，也可作为非隔离负载点转换器。因此，大多数板载电源系统已经采用DC/DC转换模块作为供电主体。但是，若缺少了电源管理电路，则无法构建一个完整、健全的电源系统。电源管理的内容包括：电源系统监控、定序和跟踪、监视和失效保护。电源管理器件在输入端处理共模抑制、起动限制、起动和关闭的控制，甚至功率因数校正等功能。配置在输出端的电源管理器件控制启动定序和输出电压调节，并为过欠压、过流情况提供相应的失效保图1电源管理器件在隔离型AC/DC电源系统中的应用护。所有相关功能电路均要求与主电路隔离。

图1所示为在隔离型AC/DC变换器中电源管理器件的主要应用

专用的数字电源管理器件比通常采用的模拟电路或微控制器、可编程逻辑器件等方法在成本、开发周期和可靠性方面具有较大优势。新一代的数字电源管理器件内部集成了能够满足实时监控需求的快速ADC，使它能比通用微控制器的片外ADC更快地反映失效。监测数据通过I2C或PMBus总线传输给电源主控制器，用以实现精准的调压设置、故障保护等功能。内部的时钟可实现故障记录。对于多路输出的电源系统，数字电源主控制器实时地通过总线接口从各输出端的管理器件内读出各路输出的监测数据，实现了电源系统的全面监视。一旦软件设计通过，相同的源文件和配置文件可以用于该设计的所有产品，性能在单元之间是一致的，而模拟电路则会因元件本身差异导致性能不一。
传统的，依靠模拟电路实现电源管理，通过放大器、比较器和RC时间延迟来设置各个参量的电源系统管理电路已经比不上数字化电源管理器件的优越性。随着设计的深入，元器件不再随着参量的改变而改变，电路板也不再需要反复重新加工。采用专门的数字电源管理器件，允许通过配置软件来设置工作参量。设计期间的更改可以很容易地通过软件实现，不需作硬件的改变。配置软件只要求设计人员调节少数参量，当所有参数设置完毕后，可以通过I2C端口用编程下载线下载到数字电源管理器件中。图2为典型的电源管理器件的内部功能单元框图。

图2电源管理器件的内部功能单元框图

除了专门的电源管理集成电路应用在电源系统的监控上以外，新一代集成电路也在自身的设计上，增加了减小功耗和部分功率管理方面的功能，提供了与数字电源、数字化电源管理器件的通信接口。这已经在较高档的数字处理器上得到了体现。通过数字处理器和DC/DC变换器、数字电源管理单元之间的通信，处理器可以根据自身当前的处理速度和任务强度自动调节所需的电源电压。数字电源和功率管理单元内部包含若干寄存器，当处理器所需要的电压发生变化时，则通过总线接受新的数据来配置相关寄存器，或者在数字电源内部程序的查找表中找到相关设置值。此种方案在功耗要求严格的领域正成为主流应用。对于内部各部分供电分开的处理器，可将正处于待命或睡眠状态的功能单元完全断电，这将进一步减小功耗，但对于供电管理提出了更高的要求，不仅输出端口增加，对不同端口的设置和监测将显着增加数字电源管理单元内程序的复杂程度。处理器内部的硬件性能监视器则可以实现在特定时间内提供最低的供电电压。监视器的信息直接于处理器内部，所以监视系统的闭环完全处在处理器芯片内部，实现了功率管理的SOC设计。