數(shù)字電源管理技術及應用詳解

　　本文介紹了數(shù)字電源的基本特點、數(shù)字電源相比于模擬電源的優(yōu)勢和數(shù)字電源管理的主要內(nèi)容，也介紹了數(shù)字電源管理技術的應用。

　　新一代集成電路需要3.3V，1.8V甚至更低的電源電壓，單個器件需要多路電壓供電，而且電流的需求很大，電壓也必須以正確的時序加到器件上。為這些器件供電的電壓必須在電路板上（最好在距離這些器件近的地方）產(chǎn)生，以使壓降最小和電壓穩(wěn)定。高性能的DC/DC轉(zhuǎn)換器適用于寬范圍輸入，既可作為隔離式電源，也可作為非隔離負載點轉(zhuǎn)換器。因此，大多數(shù)板載電源系統(tǒng)已經(jīng)采用DC/DC轉(zhuǎn)換模塊作為供電主體。但是，若缺少了電源管理電路，則無法構(gòu)建一個完整、健全的電源系統(tǒng)。電源管理的內(nèi)容包括：電源系統(tǒng)監(jiān)控、定序和跟蹤、監(jiān)視和失效保護。電源管理器件在輸入端處理共模抑制、起動限制、起動和關閉的控制，甚至功率因數(shù)校正等功能。配置在輸出端的電源管理器件控制啟動定序和輸出電壓調(diào)節(jié)，并為過欠壓、過流情況提供相應的失效保圖1電源管理器件在隔離型AC/DC電源系統(tǒng)中的應用護。所有相關功能電路均要求與主電路隔離。

　　圖1所示為在隔離型AC/DC變換器中電源管理器件的主要應用。

　　專用的數(shù)字電源管理器件比通常采用的模擬電路或微控制器、可編程邏輯器件等方法在成本、開發(fā)周期和可靠性方面具有較大優(yōu)勢。新一代的數(shù)字電源管理器件內(nèi)部集成了能夠滿足實時監(jiān)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。監(jiān)測數(shù)據(jù)通過I2C或PMBus總線傳輸給電源主控制器，用以實現(xiàn)精準的調(diào)壓設置、故障保護等功能。內(nèi)部的時鐘可實現(xiàn)故障記錄。對于多路輸出的電源系統(tǒng)，數(shù)字電源主控制器實時地通過總線接口從各輸出端的管理器件內(nèi)讀出各路輸出的監(jiān)測數(shù)據(jù)，實現(xiàn)了電源系統(tǒng)的全面監(jiān)視。一旦軟件設計通過，相同的源文件和配置文件可以用于該設計的所有產(chǎn)品，性能在單元之間是一致的，而模擬電路則會因元件本身差異導致性能不一。

　　傳統(tǒng)的，依靠模擬電路實現(xiàn)電源管理，通過放大器、比較器和RC時間延遲來設置各個參量的電源系統(tǒng)管理電路已經(jīng)比不上數(shù)字化電源管理器件的優(yōu)越性。隨著設計的深入，元器件不再隨著參量的改變而改變，電路板也不再需要反復重新加工。采用專門的數(shù)字電源管理器件，允許通過配置軟件來設置工作參量。設計期間的更改可以很容易地通過軟件實現(xiàn)，不需作硬件的改變。配置軟件只要求設計人員調(diào)節(jié)少數(shù)參量，當所有參數(shù)設置完畢后，可以通過I2C端口用編程下載線下載到數(shù)字電源管理器件中。圖2為典型的電源管理器件的內(nèi)部功能單元框圖。

　　圖2電源管理器件的內(nèi)部功能單元框圖

　　除了專門的電源管理集成電路應用在電源系統(tǒng)的監(jiān)控上以外，新一代集成電路也在自身的設計上，增加了減小功耗和部分功率管理方面的功能，提供了與數(shù)字電源、數(shù)字化電源管理器件的通信接口。這已經(jīng)在較高檔的數(shù)字處理器上得到了體現(xiàn)。通過數(shù)字處理器和DC/DC變換器、數(shù)字電源管理單元之間的通信，處理器可以根據(jù)自身當前的處理速度和任務強度自動調(diào)節(jié)所需的電源電壓。數(shù)字電源和功率管理單元內(nèi)部包含若干寄存器，當處理器所需要的電壓發(fā)生變化時，則通過總線接受新的數(shù)據(jù)來配置相關寄存器，或者在數(shù)字電源內(nèi)部程序的查找表中找到相關設置值。此種方案在功耗要求嚴格的領域正成為主流應用。對于內(nèi)部各部分供電分開的處理器，可將正處于待命或睡眠狀態(tài)的功能單元完全斷電，這將進一步減小功耗，但對于供電管理提出了更高的要求，不僅輸出端口增加，對不同端口的設置和監(jiān)測將顯著增加數(shù)字電源管理單元內(nèi)程序的復雜程度。處理器內(nèi)部的硬件性能監(jiān)視器則可以實現(xiàn)在特定時間內(nèi)提供最低的供電電壓。監(jiān)視器的信息直接來源于處理器內(nèi)部，所以監(jiān)視系統(tǒng)的閉環(huán)完全處在處理器芯片內(nèi)部，實現(xiàn)了功率管理的SOC設計。