【導(dǎo)讀】隨著效率優(yōu)化及高端處理器、FPGA和ASIC等復(fù)雜電源的需求呼聲越來(lái)越高,有源功率管理逐漸成為數(shù)據(jù)中心服務(wù)器、電信系統(tǒng)和網(wǎng)絡(luò)設(shè)備應(yīng)用中的關(guān)鍵設(shè)計(jì)要求。同時(shí)還希望電源設(shè)計(jì)工程師能夠不斷縮短開(kāi)發(fā)周期,減小電路板尺寸。
由于PMBus 規(guī)格設(shè)計(jì)可以為檢測(cè)和控制功率管理設(shè)備提供平臺(tái)，因此面對(duì)有源功率管理設(shè)計(jì)時(shí)，工程師不得不圍繞 PMBus 規(guī)格進(jìn)行設(shè)計(jì)。同時(shí)考慮到尺寸限制，必須最大限度地減少元器件的使用數(shù)量。而MPS 最新推出的集成 PMBus 負(fù)載點(diǎn)（PoL）調(diào)節(jié)器MPQ8645P 便可以輕松解決這兩大挑戰(zhàn)。
系統(tǒng)設(shè)計(jì)挑戰(zhàn)
在服務(wù)器、電信和網(wǎng)絡(luò)基礎(chǔ)設(shè)施中，使用的典型電源架構(gòu)包含一個(gè) AC/DC 前端，負(fù)責(zé)生成 48V 直流電。該直流電會(huì)被輸送至 DC/DC 變換器，在這里電壓被轉(zhuǎn)換成 12V 中間母線結(jié)構(gòu)。然后將 12V 母線電壓分配至板上多個(gè)負(fù)載點(diǎn)（PoL）變換器中，為芯片或子電路提供電源。但是大多數(shù)芯片或子電路所需的電壓范圍僅為 1V-3.3V，電流范圍卻為幾十毫安至數(shù)百安培。且這些電壓軌對(duì)時(shí)序、電壓精度、裕量和檢測(cè)能力的設(shè)計(jì)要求非常嚴(yán)格。(見(jiàn)圖 1)
圖 1: 分布式電源架構(gòu)示例
在這一復(fù)雜系統(tǒng)中，有時(shí)可能存在50多個(gè)負(fù)載點(diǎn)（POL）電壓軌。系統(tǒng)架構(gòu)師和工程師需要設(shè)計(jì)出一種簡(jiǎn)單的方式來(lái)管理這些電壓軌，包括輸出電壓、時(shí)序和最大允許電流。其中，有些處理器要求I/O電壓先于核心電壓上電，而有些ASIC則要求核心電壓先于I/O電壓上電，同時(shí)還需要上電/下電時(shí)序。只有采用簡(jiǎn)單的方式來(lái)更改系統(tǒng)參數(shù)，優(yōu)化系統(tǒng)性能，并為每個(gè)DC/DC轉(zhuǎn)換器存儲(chǔ)特定的配置，才能簡(jiǎn)化設(shè)計(jì)。
為滿足有源功率管理的增長(zhǎng)需求，很多新系統(tǒng)設(shè)計(jì)轉(zhuǎn)向采用PMBus技術(shù)，因?yàn)槠涔╇姼屿`活。PMBus 可以簡(jiǎn)化配置、時(shí)序以及電源檢測(cè)功能，同時(shí)還能測(cè)定和響應(yīng)警報(bào)及故障。最新的PMBus規(guī)格（1.3版本）介紹了自適應(yīng)電壓調(diào)節(jié)功能（AVS），該功能可以支持處理器自主降低時(shí)鐘頻率和電源電壓。這樣，當(dāng)輸出負(fù)載較輕時(shí)，它自己的功耗就會(huì)降到最低，從而顯著節(jié)電。PMBus 1.3 版本進(jìn)行了諸多改進(jìn)，比如更快的PMBus速度以加載更大的數(shù)據(jù)量[AP1] [YT2] , 更強(qiáng)的輸出電壓跟蹤系統(tǒng)以報(bào)告[AP3] [YT4] 警報(bào)閾值，還有用于與高優(yōu)先級(jí)設(shè)備進(jìn)行高速通信的快速區(qū)域讀/寫(xiě)功能，以及允許在更寬范圍內(nèi)實(shí)現(xiàn)更高精度的修訂數(shù)據(jù)格式。
一旦增加系統(tǒng)復(fù)雜性，縮短設(shè)計(jì)周期，設(shè)計(jì)資源會(huì)變得更加緊缺，主要取決于開(kāi)發(fā)系統(tǒng)的關(guān)鍵知識(shí)產(chǎn)權(quán)。這通常意味著只能在開(kāi)發(fā)后期才能關(guān)注電源。由于開(kāi)發(fā)周期短，且電源設(shè)計(jì)專業(yè)知識(shí)有限，研發(fā)出尺寸小效率高的解決方案簡(jiǎn)直是難上加難。面對(duì)不斷縮小的電路板面積，只能在電路板背面做文章，而有些情況下，此種方法也不可行。理想的解決方案就是將整個(gè)電源集成在小型封裝中。
MPS 最新方案出爐
通常，處理從幾十毫安到數(shù)百安培應(yīng)用程序的傳統(tǒng)方式會(huì)采用離散模擬解決方案。離散模擬解決方案的構(gòu)建塊由一個(gè)控制器 IC 和一對(duì)外部 MOSFET 或一個(gè)驅(qū)動(dòng) MOSFET（DRMOS）IC 組成。這些部件采用適當(dāng)數(shù)量的輸入輸出電容和電感來(lái)實(shí)現(xiàn)基本的功率轉(zhuǎn)換要求。然而，最先進(jìn)的現(xiàn)代系統(tǒng)設(shè)計(jì)要求具有監(jiān)控、控制和獲取系統(tǒng)報(bào)告實(shí)時(shí)信息的能力。這些特性可以通過(guò)添加更多的外部組件來(lái)實(shí)現(xiàn)，例如電壓監(jiān)測(cè)儀、溫度傳感器、模數(shù)轉(zhuǎn)換器（ADC）和數(shù)模轉(zhuǎn)換器（DAC）。這樣不僅增加了成本，還占用了大量的電路板空間，與最先進(jìn)的現(xiàn)代系統(tǒng)設(shè)計(jì)理念相悖。
與傳統(tǒng)的離散模擬解決方案不同，MPS提出了一種整體解決方案-- MPQ8645P 是一款16V降壓穩(wěn)壓器，可兼容 PMBus 接口，其單相電流傳輸能力高達(dá) 30A，采用同步整流器以獲取最高效率，將所有元器件集成在單個(gè)硅片中。MPQ8645P 采用散熱性能更強(qiáng)的TQFN(4mmx5mm)封裝，尺寸比使用獨(dú)立控制IC和功率級(jí)（不包括外部器件）的離散模擬解決方案小20-50%(見(jiàn)表1)。
表 1 芯片占板面積：MPS vs 離散模擬解決方案
MPQ8645P 可以最大限度地減少外部元器件的使用數(shù)量，簡(jiǎn)化電路圖和 PCB 布局指南(請(qǐng)見(jiàn)圖2)。僅需3步便可以完成電源基本設(shè)計(jì)工作。第一步，選擇合適的輸入輸出電容數(shù)量，滿足應(yīng)用的電壓電流紋波要求。第二步，為應(yīng)用挑選合適的電感，滿足總負(fù)載電流要求。第三步，將電阻從各自的引腳處接地，設(shè)置電流限和PMBus地址。其他功能和操作也可以通過(guò)PMBus進(jìn)行編程。由于 MPQ8645P 的高度集成性和極簡(jiǎn)的設(shè)計(jì)，其典型效率高達(dá) 85 - 95%。比如，在12V輸入至2.5V輸出的1MHz開(kāi)關(guān)頻率應(yīng)用中，MPQ8645P的峰值效率可達(dá)95%。
圖 2: 單相工作時(shí)的MPQ8645P典型應(yīng)用電路圖
并聯(lián)和均流工作
圖 3: 多相工作時(shí)的MPQ8645P典型應(yīng)用電路
MPQ8645P還可為大功率應(yīng)用提供一種簡(jiǎn)單的設(shè)計(jì)方法。圖三展示了多相工作時(shí)的 MPQ8645P 典型應(yīng)用電路圖。它具有可擴(kuò)展性，并且可以通過(guò)并聯(lián)方式滿足大負(fù)載電流需求。恒定導(dǎo)通時(shí)間控制模式可確保平衡負(fù)載電流的共享和匹配。在多相操作中，所有相位的ISUM引腳連接在一起，從每個(gè)相位收集有關(guān)ISUM的信息，并與平均電流進(jìn)行比較，以確定 TON 脈沖的持續(xù)時(shí)間。MP8Q8645P 可實(shí)現(xiàn)精確的電流匹配功能，每相誤差[AP1] [YT2] 室溫下的4相操作(請(qǐng)見(jiàn)圖4)。 (見(jiàn)圖 4).。這可以降低熱點(diǎn)的潛在風(fēng)險(xiǎn)。MPQ8645P 可并聯(lián)高達(dá)8個(gè)IC，最多相位高達(dá)24個(gè)，可輕松支持最高720A的輸出電流。
圖 4: 4 相操作時(shí)，MPQ8645P 電流共享測(cè)量
系統(tǒng)監(jiān)控/控制和調(diào)試/微調(diào)
與傳統(tǒng)的離散模擬解決方案相比，采用可兼容PMBus的電源IC具有諸多系統(tǒng)優(yōu)勢(shì)。它可以提供簡(jiǎn)單而靈活的配置、電路板和準(zhǔn)確的系統(tǒng)控制，以及具體而精確的監(jiān)控和遙測(cè)功能。
在傳統(tǒng)的離散模擬解決方案中，像輸出電壓、電流限值、開(kāi)關(guān)頻率和過(guò)流閾值這些參數(shù)通常需要一個(gè)或多個(gè)電阻來(lái)設(shè)置。應(yīng)用中的任何變更或更新均需要通過(guò)實(shí)際物理部件的返工或變更來(lái)實(shí)現(xiàn)。這就意味著每個(gè)應(yīng)用程序都需含有一組不同的組件供工程師跟蹤。
MPQ8645P 僅需一套BOM就可支持各種不同的應(yīng)用。如輸入/輸出電壓、輸入/輸出電流（每個(gè)相位和總相）、開(kāi)關(guān)頻率、故障保護(hù)以及更多其他參數(shù)均可通過(guò)PMBus來(lái)編程。而且還能動(dòng)態(tài)調(diào)節(jié)這些參數(shù)。可以說(shuō)，MPQ8645P 讓電源芯片變得更加人性化。
MPQ8645P 同時(shí)還采用了內(nèi)置可多次編程（MTP）芯片，用來(lái)存儲(chǔ)自定義配置。工程師可以在每個(gè)系統(tǒng)微調(diào)到特定的應(yīng)用程序以后，保存和存儲(chǔ)所有調(diào)整的參數(shù)，以便快速修改參數(shù)，最大限度地減少物理硬件的更改。MPQ8645P 避免了潛在的重復(fù)勞動(dòng)，讓系統(tǒng)微調(diào)變得無(wú)障礙。
MPQ8645P 可兼容PMBus 1.3，具有監(jiān)控能力，能夠讀取和報(bào)告實(shí)時(shí)信息（例如：電壓、電流、電源、溫度、開(kāi)關(guān)頻率和故障），從而全面了解電源的性能。這在測(cè)試和調(diào)試階段甚至系統(tǒng)部署期間都非常有用，工程師可以通過(guò)預(yù)測(cè)性分析優(yōu)化系統(tǒng)運(yùn)行時(shí)間，并在需要修復(fù)時(shí)利用更多數(shù)據(jù)來(lái)最小化停機(jī)時(shí)間 。
結(jié)論
有源功率管理方法是實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)內(nèi)適應(yīng)性水平的關(guān)鍵，這對(duì)于滿足不斷增長(zhǎng)的數(shù)據(jù)通信和網(wǎng)絡(luò)行業(yè)的能效需求至關(guān)重要。同時(shí)也成為系統(tǒng)架構(gòu)師和工程師提供小尺寸和短設(shè)計(jì)周期新設(shè)計(jì)方式。MPS最新的PoL調(diào)節(jié)器-MPQ8645P可直接解決這些挑戰(zhàn)。采用 MPQ8645P 無(wú)需進(jìn)行元器件的選擇以及優(yōu)化和布局設(shè)計(jì)，大大縮短了總體設(shè)計(jì)和系統(tǒng)故障解決時(shí)間，最終加快了上市時(shí)間。
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