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灵活的数字解决方案满足新兴电源管理需求

2010-09-09 16:30:37   

    过去,面向计算和通信应用的功率转换IC的实现非常简单。模拟脉冲宽度调制(PWM)IC只有两个任务:输出功率和调节电压。诸如监视或诊断等其他功能被视为不必要。在极少数需要这些功能的情况下,则可以通过外接芯片实现。

      然而,如今对高效、可靠的电源管理的需求正以比摩尔定律的发展速度快得多的速率迅猛增长。面向计算和通信应用的主要处理器件包含了数十亿个晶体管,这些器件对电源的要求更加精确和复杂。

      在数据通信领域,出现了采用36至40个电压轨的电路板。在计算应用中,主板常常利用超过20个电压轨为各种ASIC、存储器和处理器芯片组提供电源。这种复杂度要求对多种不同的参数进行精密的诊断、控制和监视,而这是模拟PWM力所不及的。典型的解决办法是添加一个单独的微控制器,但这会大幅提高系统成本和设计复杂度,同时还会占用日趋小巧的电路板上的宝贵空间。

      系统效率

      精密控制必然引起另一个问题:系统效率。诸如与日俱增的燃料成本和环境压力等外部因素,进一步突出了效率的重要性。

      计算应用进行数据处理所耗用的电力不足其总功耗的50%,散热和系统损耗等浪费了大部分电源。最终结果是,浪费的每瓦电力都提高了应用的总占有成本,增加了全球能源消耗。如果不能测量和诊断系统,就几乎不可能实时提高效率。典型的模拟电源解决方案是一个黑匣子,不提供任何诊断信息。

      面对日益加剧的价格压力,设计师越来越多地寻求不是通过独立微处理器执行电源诊断,而是整合了该功能的电源解决方案。他们希望利用经济高效的解决方案来监视芯片的电流、电压、温度和功率效率。系统设计师希望其电源能够针对每个电压轨,提供故障报告,与PWM控制器进行I2C通信以及灵活编程个性化参数。

      这一切导致了一个简单结论:市场发展动力和客户需求意味着模拟解决方案的摩尔定律进步速度滞后于当前的客户需求。满足当前需求的唯一途径是转向数字电源解决方案(请参阅图1)。

    电源管理控制器框图满足了当前对转向数字电源解决方案的需求

    图1. 电源管理控制器框图满足了当前对转向数字电源解决方案的需求。

      有些市场已经开始了从模拟到数字的过渡。例如,要满足服务器和高端显卡对电源的复杂要求,就必须采用数字电源。其他市场也在逐步转变。起初,这个决定只是简单地出于成本考虑。模拟PWM非常成熟、历经检验并且价格低廉。改用数字解决方案会增加系统的总成本。但是现在,成本等式已经改变。考虑到系统智能、故障处理和其他可编程特性,到头来模拟解决方案的成本反而高于数字解决方案。对于像数字通信这样的市场,模拟解决方案及其所需的额外芯片也不能满足其空间要求。

      数字解决方案

      同许多新技术一样,转变都会遇到抵触。这种抵触是人之常情,抵触的力量会随着时间的流逝而减弱。不幸的是,除这种对转变自然而然的抵触之外,还有两个主要的误解困扰着数字电源解决方案。

      第一个误解,围绕着成本问题。当开发人员权衡他们的选项,意识到现在用与模拟解决方案相同的成本就能实现数字电源管理的所有益处时,这个误解就会迎刃而解。

      第二个误解更加恼人,这也是广泛采用数字电源解决方案所面临的最严峻的障碍。这个误解认为,数字解决方案如此复杂,因此,为特定应用进行定制需要进行大量培训,并且设计周期很长。花大量时间进行设计是否值得?可能有人认为值得,不过,幸运的是,设计师不必做出这个选择。新近问世的数字电源管理解决方案让设计师感觉不到其复杂性。

      就像PC用户在使用应用程序时不需要知道其底层的代码,电源设计师在利用数字电源解决方案时也不需要了解其编程。这促进了这项技术的推广。

      先期应用者往往是热衷于一探究竟的技术专家。然而,要得到普遍采用,必须通过更好、更直观的用户界面,隐蔽其复杂性。最新一代数字电源IC为数字电源解决方案带来了希望。它可以与负责在电源管理的主板级和机架级协调电源的处理器、ASIC和微处理器进行双向通信(请参阅图2)。

    最新一代数字电源IC可以与负责协调电源的处理器

    图2. 最新一代数字电源IC可以与负责协调电源的处理器、ASIC和微处理器进行双向通信。

      将模拟信息数字化之后,可以对每一条信息进行乘、除、加运算、传输、补偿、过滤以及存储。由于数字算法决定了整个芯片的技术规格和性能,因此,这些数字电源IC还可以实现非线性和异步算法,以改善瞬态性能。

      全部数据都已数字化,因此,很容易通过I2C总线传输这些信息。此外,这项技术也可以轻松适应未来的高速通信总线,实现高达33 MHz或66 MHz的总线速率。得益于这些架构性功能,能够满足复杂的系统要求的数字电源IC将在今后十年大显身手。

      图形化用户界面

      数字电源IC解决方案也为系统设计师提供了灵活性。利用软件,可以全面设置电源设计的补偿、设置点、OCP电平、OVP电平和所有主要参数。通过一个直观的图形化用户界面(GUI),设计师可以优化特定设计的输出电容和电感,而不必更换电路板上的电阻器或电容器。电源解决方案的设计实现无需更换分立式元件。最终的结果是不仅提高了系统灵活性,而且也缩短了最终产品的上市时间。

     

      此外,产品一经部署,就可以实现元件老化和温度漂移校准。在数字电源IC中,可以针对每一条电压轨进行单独设计和编程。可以轻松地将数字电源IC实现为多个相位,并且与各相位的同步时间并行运行,这样就能降低EMI干扰信号,以便轻松过滤。降低了rms输入电流,减少了所需的输入电容。同样地,是通过软件而不是硬件,实现了灵活性和定制设计。

      实现上述所有特性的关键是直观的图形化用户界面(GUI)。现在,即使不熟悉数字电源管理的设计师也能按照屏幕显示的各种选择,一步一步轻松编程输出电压、电流、故障、回路补偿的PID系数以及其他主要功能。

      设计师可以编程主板上的各个电压轨,单独设置每个电压轨的定时、跟踪、上升时间和可编程延迟。这样,数字电源IC不仅可以实现PWM控制,而且可以对具备多个电压轨的电路板进行全面的电源管理,并与系统进行实时通信。

      提供图形化用户界面(GUI)看起来微不足道,但其实有重要意义。就像更好的用户界面促进了Linux系统的推广,直观的图形化用户界面(GUI)也缩短了数字电源管理解决方案的设计时间,消除了设计师在这方面的成本顾虑。数字电源IC不仅是当今的芯片技术提供的先进解决方案,同时也是最经济划算的解决方案。

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