- 數(shù)字可配置性為生命周期帶來(lái)益處
- PMBus™ 是一種關(guān)鍵的業(yè)務(wù)引擎
- 數(shù)字電路實(shí)施電源轉(zhuǎn)換器內(nèi)部控制環(huán)路
- 監(jiān)測(cè)和控制數(shù)字式輸入/輸出電路
經(jīng)過(guò)數(shù)十年的孕育，數(shù)字電源控制技術(shù)與模擬電源控制技術(shù)相形之下的優(yōu)勢(shì)，得到越來(lái)越多的設(shè)計(jì)師們的青睞，因此該技術(shù)正迅速占領(lǐng)市場(chǎng)份額。盡管如今的經(jīng)濟(jì)形勢(shì)更具不確定性，但2009年8月，電源行業(yè)的分析師依然預(yù)測(cè)數(shù)字電源在今后五年將獲得近20%的復(fù)合年增長(zhǎng)率，而且這一數(shù)字從某種程度上還是算悲觀的——12個(gè)月前同樣一群分析師們?cè)J(rèn)為45%的增長(zhǎng)率更為確切。撇開(kāi)預(yù)測(cè)的準(zhǔn)確性不說(shuō)，任何技術(shù)要想獲得快速認(rèn)可和可持續(xù)發(fā)展，關(guān)鍵在于以有競(jìng)爭(zhēng)力的成本交付實(shí)實(shí)在在的益處。
許多設(shè)計(jì)師都已經(jīng)發(fā)現(xiàn)，數(shù)字電源控制和數(shù)字電源管理的結(jié)合，代表了整體能力上真實(shí)、性?xún)r(jià)比高的階躍變化，超出了人們對(duì)常規(guī)演化的預(yù)料。這里，數(shù)字電源控制指的是通過(guò)數(shù)字電路而非熟悉的模擬電路來(lái)實(shí)施電源轉(zhuǎn)換器的內(nèi)部控制環(huán)路。對(duì)于一個(gè)簡(jiǎn)單的buck轉(zhuǎn)換器來(lái)說(shuō)，這意味著用模擬轉(zhuǎn)數(shù)字轉(zhuǎn)換器來(lái)替代傳統(tǒng)誤差反饋信號(hào)放大器，同時(shí)對(duì)使用數(shù)字信號(hào)處理技術(shù)推動(dòng)電源開(kāi)關(guān)的脈寬調(diào)制器進(jìn)行糾正，從而取代電壓基準(zhǔn)、斜坡發(fā)生器和比較器。——圖1
圖1 帶有顯示部分器件的功率傳遞的模擬和數(shù)字控制系統(tǒng)的比較框圖
相比之下，數(shù)字電源管理意味著對(duì)通過(guò)數(shù)字式輸入/輸出電路來(lái)聯(lián)通的電路進(jìn)行監(jiān)測(cè)和控制，而這種電路如今幾乎一直使用業(yè)已成為電源行業(yè)規(guī)范的PMBus™接口。結(jié)合了這兩種數(shù)字電源概念的轉(zhuǎn)換器可以主動(dòng)地管理其轉(zhuǎn)換過(guò)程，從而在轉(zhuǎn)換線路和負(fù)載條件變化的時(shí)候優(yōu)化效率，同時(shí)將所有電源管理系統(tǒng)都納入同一封裝——圖2。
圖2 數(shù)字控制的，符合輸入/輸出PMBus接口標(biāo)準(zhǔn)的高級(jí)中間母線轉(zhuǎn)換器BMR453
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數(shù)字可配置性為生命周期帶來(lái)益處
然而數(shù)字電源不只改善電氣性能和功率密度要求等曾主導(dǎo)了電源設(shè)計(jì)師們思維的因素?；旧?，這種性能之所以得以改進(jìn)，就是因?yàn)閿?shù)字控制環(huán)路能夠調(diào)整其動(dòng)態(tài)、從而以最佳狀態(tài)適應(yīng)實(shí)時(shí)的線路和負(fù)載條件；相比之下，無(wú)源元器件設(shè)定了一個(gè)模擬轉(zhuǎn)換器的響應(yīng)，這些響應(yīng)無(wú)可避免地成為穩(wěn)定性和對(duì)于其操作條件的動(dòng)態(tài)響應(yīng)之間的折中。但是在開(kāi)發(fā)其“3E”概念，即重視性能、能源管理和最終用戶(hù)價(jià)值的同時(shí)，愛(ài)立信認(rèn)識(shí)到，數(shù)字電源帶來(lái)的益處可貫穿產(chǎn)品的生命周期。
由于數(shù)字轉(zhuǎn)換器的核心是一種混合信號(hào)的IC，所以可以以微不足道的額外成本，將監(jiān)測(cè)和控制硬件連同其PMBus接口封裝在同一片芯片上。這種方式優(yōu)化了轉(zhuǎn)換器核心與其控制系統(tǒng)之間的電耦合，減少了功率損耗，并通過(guò)基于模擬技術(shù)的解決方案，大幅度縮減了PCB為容納等效功能設(shè)計(jì)而必要的空間——圖3。非常重要的是，現(xiàn)在，當(dāng)數(shù)字轉(zhuǎn)換器最初制成時(shí)、在電源系統(tǒng)設(shè)計(jì)師應(yīng)用程序的開(kāi)發(fā)階段、在分銷(xiāo)商的倉(cāng)庫(kù)、當(dāng)設(shè)備被生產(chǎn)出來(lái)時(shí)，以及/或者當(dāng)它在最終用戶(hù)的設(shè)備中運(yùn)行時(shí)，就可以對(duì)數(shù)字轉(zhuǎn)換器進(jìn)行配置了。這種無(wú)可媲美的靈活度，使得可編程的邏輯模型第一次得以延伸到電源轉(zhuǎn)換器行業(yè)。
圖3 高度集成的功能性節(jié)約了電路板空間，提高了效率和可靠性
每一個(gè)3E家族電源轉(zhuǎn)換器都提供一系列可編程參數(shù)，包括進(jìn)行輸出電壓值選定、打開(kāi)/關(guān)閉延遲時(shí)間從而為多路負(fù)載進(jìn)行上電時(shí)序控制、通過(guò)對(duì)上電斜率的控制以提供浪涌電流保護(hù)、為系統(tǒng)測(cè)試提供電壓裕量，以及關(guān)于過(guò)流、過(guò)溫、過(guò)/欠壓等告警和故障情況的多重回差值設(shè)定。甚至可以通過(guò)調(diào)節(jié)數(shù)字轉(zhuǎn)換器控制環(huán)路的響應(yīng)來(lái)優(yōu)化特定負(fù)載和輸出電容條件下數(shù)字轉(zhuǎn)換器的性能。圖 4 顯示了微調(diào)一些常量的結(jié)果，這些常量設(shè)定了3E負(fù)載點(diǎn)調(diào)節(jié)器的控制環(huán)路響應(yīng)，從而優(yōu)化既定環(huán)境中的瞬態(tài)響應(yīng)。這是通過(guò)持續(xù)調(diào)節(jié)反饋環(huán)回內(nèi)的模擬轉(zhuǎn)換器電阻和電容的值，從而用數(shù)字方式在該模擬轉(zhuǎn)換器上移動(dòng)極點(diǎn)和零點(diǎn)——在實(shí)際操作中這是難以想象的。
圖4 通過(guò)重新編程數(shù)字電源轉(zhuǎn)換器的控制環(huán)路常數(shù)，可以?xún)?yōu)化它在既定操作環(huán)境下的動(dòng)態(tài)性能
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PMBus™ 是一種關(guān)鍵的業(yè)務(wù)引擎
在產(chǎn)品評(píng)估和開(kāi)發(fā)階段，PMBus可能是無(wú)價(jià)之寶。這里，控制兼容PMBus接口的單板電源管理器可能是一臺(tái)通過(guò)合適的適配器連接到原型電路板的個(gè)人電腦。由于PMBus的物理層依賴(lài)于SMBus（這是基于I2C總線而開(kāi)發(fā)的），因此PMBus通常局限于電路板區(qū)域，讓設(shè)計(jì)師們可以自由選擇背板連接性。圖 5 顯示了大概的電路圖。
圖5 PMBus可以方便得對(duì)兼容的電源系統(tǒng)器件進(jìn)行監(jiān)測(cè)和控制，例如3E產(chǎn)品家族
為了能讓開(kāi)發(fā)的產(chǎn)品能馬上使用，愛(ài)立信開(kāi)發(fā)了一種與個(gè)人電腦兼容的3E產(chǎn)品評(píng)估套件，其中包括USB到PMBus 適配器和驅(qū)動(dòng)軟件，它們?nèi)〈藞D中的板級(jí)電源管理器。個(gè)人電腦和套件應(yīng)用程序隨后就充當(dāng)系統(tǒng)主機(jī)和用戶(hù)界面的角色。這樣就可以通過(guò)極為迅速的方式對(duì)輸出電壓設(shè)置、上電時(shí)序設(shè)定、電壓容限以及故障處理等參數(shù)進(jìn)行試驗(yàn)，而不需要對(duì)接受檢測(cè)的電路板進(jìn)行硬件更換。如果設(shè)計(jì)師對(duì)設(shè)置滿(mǎn)意，應(yīng)用軟件就可以為每一個(gè)3E產(chǎn)品保存一份配置文件，留作日后使用。圖 6顯示了軟件在單個(gè)裝置配置屏幕上展示的部分選項(xiàng)。
圖6 3E圖形用戶(hù)界面軟件極大地簡(jiǎn)化了產(chǎn)品的參數(shù)配置
雖然客戶(hù)可能對(duì)具體配置有要求，但愛(ài)立信大多數(shù)情況下通常交付的是3E元件，這些都是通過(guò)體現(xiàn)轉(zhuǎn)換器典型應(yīng)用綱要的缺省配置來(lái)預(yù)先編程的。舉例來(lái)說(shuō)，用戶(hù)可能會(huì)訂購(gòu)一個(gè)負(fù)載點(diǎn)調(diào)節(jié)器，例如額定20A的BMR450，預(yù)先設(shè)定為1.0、 3.3、5.0或5.5 VDC——圖 7。
圖7 20A符合輸入/輸出PMBus，并采用數(shù)字控制的負(fù)載點(diǎn)BMR450
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接下來(lái)就可以通過(guò)PMBus對(duì)該裝置進(jìn)行重新編程，從而達(dá)到0.6到5.5VDC級(jí)別，分辨率為1Mv（同樣可以通過(guò)一個(gè)電阻在25步長(zhǎng)的范圍內(nèi)將產(chǎn)品的輸出電壓設(shè)置在0.7到5.0VDC范圍之間）。這樣一來(lái)，一個(gè)產(chǎn)品就能覆蓋一系列的輸出電壓，從而通過(guò)減少產(chǎn)品的硬件數(shù)量來(lái)減少庫(kù)存并簡(jiǎn)化物流管理。值得注意的還有，BMR450及其40A的同伴BMR451圖 8可以共享一個(gè)PCB布線，從而允許設(shè)計(jì)師們隨著系統(tǒng)電源需要的演變而交換轉(zhuǎn)換器——圖 9。對(duì)于所有3E家族的電源轉(zhuǎn)換器來(lái)說(shuō)，都有類(lèi)似的好處。
圖8 40A 符合輸入/輸出PMBus的，并采用數(shù)字控制的負(fù)載點(diǎn)BMR451
圖9 愛(ài)立信3E負(fù)載點(diǎn)調(diào)節(jié)器的封裝布線是可以縮放的。單個(gè)PCB布線可以容納不同類(lèi)產(chǎn)品以提高靈活性
如果輸出電壓或任何其它可編程參數(shù)有必要進(jìn)行一次性的改動(dòng)，那么電路板生產(chǎn)的ATE階段是進(jìn)行改動(dòng)的合理時(shí)機(jī)?；蛘?，一個(gè)分銷(xiāo)商也可提供編程服務(wù)。假設(shè)有一個(gè)簡(jiǎn)單的最終用戶(hù)應(yīng)用程序，比如升級(jí)某個(gè)模擬設(shè)計(jì)，那么目標(biāo)電路板上就可以免除電路板電源管理邏輯電路。然而將整個(gè)PMBus連接性包括進(jìn)來(lái)，可為電源系統(tǒng)設(shè)計(jì)師們大大增加可選項(xiàng)目。由于PMBus僅需要四個(gè)元件，而一個(gè)低成本的微控制器就可輕松地容納電路板電源管理邏輯，所以這種方式很值得考慮。
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PMBus連接性的實(shí)施，使得系統(tǒng)主機(jī)能夠在設(shè)備整個(gè)生命周期中監(jiān)控每個(gè)與PMBus兼容的裝置。這種數(shù)據(jù)收集能力取決于系統(tǒng)監(jiān)測(cè)軟件的復(fù)雜性，或許為能源成本分析、根本誘因故障分析奠定基礎(chǔ)，或者滿(mǎn)足其它用戶(hù)指定的功能。它或許可以有助于避免系統(tǒng)故障。例如，如果監(jiān)測(cè)軟件監(jiān)測(cè)到某個(gè)特定裝置出現(xiàn)一種異乎尋常的告警條件的圖像，就可以在該可疑裝置發(fā)生故障之前設(shè)法將其排除出工作回路。類(lèi)似的，如果電源轉(zhuǎn)換器的輸出電壓隨時(shí)間推移或因較大溫差而發(fā)生漂移，那么監(jiān)測(cè)軟件可以將該裝置調(diào)回正常的在規(guī)格范圍內(nèi)的值。
監(jiān)控某個(gè)電路板的功率消耗還可節(jié)約能源，因?yàn)楸O(jiān)控軟件可以智能化地變換中間母線轉(zhuǎn)換器供應(yīng)給負(fù)載點(diǎn)調(diào)節(jié)器的輸出電壓。幾乎所有電源轉(zhuǎn)換器在輕載的情況下一般效率偏低，所以對(duì)高級(jí)母線轉(zhuǎn)換器電壓輸出進(jìn)行重新編程，比如從12VDC降到9VDC，就可以在負(fù)載點(diǎn)調(diào)節(jié)器以輕負(fù)載運(yùn)行的同時(shí)減少功率損耗。——圖10。如果需要更多功率，監(jiān)控軟件就會(huì)隨著新的負(fù)載條件而將中間母線電壓無(wú)縫地提高到最優(yōu)水平。當(dāng)一對(duì)電源轉(zhuǎn)換器在并聯(lián)的均流電路中運(yùn)作時(shí)，如果負(fù)載級(jí)別正好在單個(gè)轉(zhuǎn)換器的容量范圍內(nèi)，那么就可以關(guān)閉一個(gè)轉(zhuǎn)換器，節(jié)約能源。——圖11。這種積極的電源管理方式尤其適合在變化范圍很大的負(fù)載條件下的系統(tǒng)。
圖10 根據(jù)有效負(fù)載的情況來(lái)調(diào)節(jié)高級(jí)中間母線轉(zhuǎn)換器的輸出電壓，可以降低能耗
圖11 如果需要更多功率，監(jiān)測(cè)軟件可以使一對(duì)電源轉(zhuǎn)換器工作在并聯(lián)均流的情況下
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這只是個(gè)開(kāi)頭
要強(qiáng)調(diào)的是，這些實(shí)例僅僅代表了帶PMBus功能的3E電源轉(zhuǎn)換器實(shí)現(xiàn)的少數(shù)幾個(gè)功能，而創(chuàng)新的設(shè)計(jì)師們無(wú)疑會(huì)發(fā)現(xiàn)新的可能。同時(shí)，這些轉(zhuǎn)換器中的任何一種都可以升級(jí)模擬設(shè)計(jì)而無(wú)需設(shè)計(jì)師們特別花費(fèi)力氣。這些轉(zhuǎn)換器也提供類(lèi)似模擬轉(zhuǎn)換器使用風(fēng)格的功能，例如通過(guò)外接單個(gè)電阻、遠(yuǎn)端電壓補(bǔ)償和單引腳開(kāi)關(guān)控制，所以它們可以輕松地實(shí)現(xiàn)獨(dú)立操作。PMBus擁有的“一勞永逸”能力還意味著，任何3E電源轉(zhuǎn)換器都可以按照用戶(hù)指定的參數(shù)進(jìn)行預(yù)先編程，而這些參數(shù)是該裝置在生命周期內(nèi)或在重新編程之前都會(huì)保留的。這樣一來(lái)，為了某個(gè)特定的應(yīng)用程序，目標(biāo)系統(tǒng)無(wú)需PMBus就可以對(duì)轉(zhuǎn)換器實(shí)現(xiàn)微調(diào)。
與知名的模擬技術(shù)相比，數(shù)字電源轉(zhuǎn)換是極大的研發(fā)力量的結(jié)晶，而這些研發(fā)力量是投入開(kāi)發(fā)值得生產(chǎn)的數(shù)字轉(zhuǎn)換器所必要的——這是選擇經(jīng)證實(shí)的、預(yù)先驗(yàn)證過(guò)的解決方案的主要原因。為了方便用戶(hù)輕松適應(yīng)數(shù)字電源環(huán)境，愛(ài)立信提供了工程方面的協(xié)助，并通過(guò)大量的技術(shù)文件和應(yīng)用信息等文檔，完善了其評(píng)估套件圖 12。
圖12 3E評(píng)估套件簡(jiǎn)化了學(xué)習(xí)、測(cè)試和編程
