數字電源的特點與發展現狀
發布時間:2010-08-31
中心議題:
隨著半導體工藝技術的不斷升級,電路板上的元器件運行速度更快、體積更小,而且還要求更多、更低的供電電壓和更大的供電電流;最終係統的功能不斷增加,平均售價卻不斷下降。此外,用戶對電源的故障修複時間、電源運行狀態的感知與控製的要求越來越高,電源設計人員不再滿足於實時監控電流、電壓、溫度,還提出了診斷電源供應情況、靈(ling)活(huo)設(she)定(ding)每(mei)個(ge)輸(shu)出(chu)電(dian)壓(ya)參(can)數(shu)的(de)要(yao)求(qiu)。這(zhe)些(xie)需(xu)求(qiu)已(yi)是(shi)今(jin)日(ri)的(de)模(mo)擬(ni)解(jie)決(jue)方(fang)案(an)難(nan)以(yi)滿(man)足(zu)的(de)。因(yin)此(ci),作(zuo)為(wei)電(dian)源(yuan)管(guan)理(li)發(fa)展(zhan)的(de)新(xin)思(si)路(lu)的(de)數(shu)字(zi)電(dian)源(yuan)應(ying)運(yun)而(er)生(sheng),其(qi)目(mu)標(biao)就(jiu)是(shi)將(jiang)電(dian)源(yuan)轉(zhuan)換(huan)與(yu)電(dian)源(yuan)管(guan)理(li)架(jia)構(gou)用(yong)數(shu)字(zi)方(fang)法(fa)集(ji)成(cheng)到(dao)單(dan)芯(xin)片(pian)中(zhong),實(shi)現(xian)智(zhi)能(neng)、高效的轉換與控製及通信。
數字電源是采用數字方式實現電源的控製、保護回路與通信接口的新型電源技術。可編程、響應性和數字環路控製是表征數字電源的3個主要特征。
suizhedianyuanxitongdexingnenghegonglvdebuduantigao,shixiandianyuanxingnengzhibiaosuobixudeyuanjianshulianghechengbenyesuizhizengjia,yuelaiyueduodekongzhixuyaotongguojuyouchengbenxiaoyideshuzidianlushixian。yibanrenwei,zaishejiDC/DC變換器時,通常100W以上的係統中會應用數字控製技術;而在設計AC/DC變換器時,250W以上的係統會應用數字技術,這樣電源的經濟性會更高一些。因此,在未來的電源係統中,模擬與數字技術將共存相當一段時間。30年前,電源行業轉向開關電源是一個很大的變化,而電源數字化趨勢將會是一個更大的變化。
模擬電源的優勢與不足
目前,除了一些專門用於微處理器的轉換器之外,市場上大多數磚形轉換器、中間總線轉換器及負載點POL轉換器仍采用模擬控製。這是因為許多模擬電源係統經過了多年的檢驗,可靠性還是很高的。
可盡管模擬電源解決方案的成本、性能(如負載變化時的電源響應時間)、zhanbanmianjidengzhibiaodouyouyudangqiandeshuzidianyuanjiejuefangan,danduikaifarenyuanlaishuo,tawanquanshiyizhonggudingmoshideheiheyingyong,yizhilekaifarenyuanfahuichuangzaolidejiqing。duidianyuanjinxingtongbugenzong、電壓排序、故障診斷及適應環境變化的能力還是比較差的。
目前,許多高性能的DC/DC轉換器仍通過簡單的無源器件產生的模擬信號進行設置和控製。即使是具有最先進拓撲結構的高性能轉換器,也還需要使用外部電阻、電容來確定諸如啟動時間、輸出點值及開關頻率等參數。這些電阻、電(dian)容(rong)的(de)值(zhi)都(dou)是(shi)設(she)計(ji)調(tiao)試(shi)時(shi)確(que)定(ding)的(de),製(zhi)造(zao)完(wan)成(cheng)後(hou)不(bu)可(ke)輕(qing)易(yi)更(geng)改(gai),因(yin)此(ci)自(zi)適(shi)應(ying)的(de)電(dian)源(yuan)管(guan)理(li)方(fang)案(an)也(ye)就(jiu)不(bu)可(ke)能(neng)實(shi)現(xian)。而(er)且(qie),為(wei)實(shi)現(xian)更(geng)多(duo)功(gong)能(neng),就(jiu)要(yao)設(she)計(ji)更(geng)多(duo)的(de)直(zhi)接(jie)反(fan)饋(kui)電(dian)路(lu),所(suo)以(yi)模(mo)擬(ni)控(kong)製(zhi)環(huan)路(lu)會(hui)變(bian)得(de)非(fei)常(chang)複(fu)雜(za)。
chuantongdemonikongzhijiagouyijingshiyongduonian,danrengyoubushaoquexian。julilaishuo,monikongzhidianluyinweishiyongxuduoyuanqijianerxuyaohendakongjian,zhexieyuanqijianbenshendezhihaihuisuishiyongshijian、溫度和其他環境條件的變化而變動,從而對係統穩定性和響應能力造成負麵影響。模擬控製的控製-響xiang應ying特te性xing是shi由you分fen立li元yuan器qi件jian的de值zhi決jue定ding的de,它ta總zong是shi麵mian向xiang一yi個ge範fan圍wei狹xia窄zhai的de特te定ding負fu載zai,因yin此ci無wu法fa為wei所suo有you電dian壓ya值zhi或huo負fu載zai點dian提ti供gong最zui優you化hua的de控kong製zhi響xiang應ying。換huan句ju話hua說shuo,如ru果guo你ni需xu要yao一yi個ge可ke以yi在zai很hen多duo產chan品pin中zhong重zhong複fu使shi用yong而er不bu必bi更geng換huan部bu件jian的de設she計ji平ping台tai,則ze模mo擬ni方fang案an難nan以yi勝sheng任ren。除chu此ci之zhi外wai,模mo擬ni係xi統tong的de測ce試shi和he維wei修xiu都dou非fei常chang困kun難nan。
數字電源的優勢與不足
數字電源正是為了克服現代電源的複雜性而提出的,它實現了數字和模擬技術的融合,提供了很強的適應性與靈活性,具備直接監視、處理並適應係統條件的能力,能夠滿足幾乎任何電源要求。數字電源還可通過遠程診斷以確保持續的係統可靠性,實現故障管理、過電壓(流)保護、自動冗餘等功能。由於數字電源的集成度很高,係統的複雜性並不隨功能的增加而增加過多,外圍器件很少(數字電源的快速響應能力還可以降低對輸出濾波電容的要求),減少了占板麵積,簡化了設計製造流程。同時,數字電源的自動診斷、調節的能力使調試和維護工作變得輕鬆。
數字電源管理芯片易於在多相以及同步信號下進行多相式並聯應用,可擴展性與重複性優秀,輕鬆實現負載均流,減少EMI,bingjianhualvbodianlusheji。shuzikongzhidelinghuoxingnengbadianyuanzuhechengchuanlianhuobinglianmoxing,xingchengxunidianyuan。erqie,shuzidianyuandezhinenghuakebaozhengzaigezhongshurudianyahefuzaidianshangdoujuyouzuiyoudegonglvzhuanhuanxiaolv。
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相對模擬控製技術,數字技術的獨特優勢還包括在線可編程能力、更先進的控製算法、更好的效率優化、更高的操作精確度和可靠性、優秀的係統管理和互聯功能。數字電源不存在模擬電源中常見的誤差、老化(包括模擬器件的精度)、溫度影響、漂移、補償等問題,無須調諧、可靠性好,可以獲得一致、穩定的控製參數。數字電源的運算特性使它更易於實現非線性控製(可改善電源的瞬態響應能力)和多環路控製等高級控製算法;更新固件即可實現新的拓撲結構和控製算法,更改電源參數也無須變更板卡上的元器件。
數字控製還能讓硬件平台重複使用,通過設計不同固件即可滿足各種最終係統的獨特要求,從而加快產品上市,減少開發成本、元器件庫存與風險。
數字電源已經表現出相當多的優點,但仍有一些缺點需要克服。例如,模擬控製對信號狀態的反應是瞬時的,而數字電源需要一個采樣、lianghuahechulideguochenglaiduifuzaidebianhuazuochufankui,yincitaduifuzaibianhuadexiangyingsudumuqianhaibibushangmonidianyuan。shuzidianyuandezhanbanmianjiyaodayumonidianyuan,jingduhexiaolvyebimonidianyuanshaocha。suiranshuzikongzhifangfadeyoudianzaifuzaidian(POL)係統中非常明顯,但模擬電源在分辨率、帶寬、與功率元件的電壓兼容性、功耗、開關頻率和成本(在簡單應用中)dengfangmianrengranzhanyouyoushi。buguo,ruguokaolvdaoshuzidianyuanjiejuefanganjuyoudeyoudian,shiyongmonidianludajiangongnengxiangsidedianlu,chengbenbingbuyidingjiubishuzidianyuandi。
數shu字zi電dian源yuan中zhong包bao含han的de技ji術shu無wu疑yi是shi複fu雜za的de,但dan它ta的de使shi用yong並bing不bu一yi定ding就jiu複fu雜za。不bu過guo它ta要yao求qiu設she計ji人ren員yuan具ju有you一yi定ding的de程cheng序xu設she計ji能neng力li,而er目mu前qian的de電dian源yuan設she計ji人ren員yuan普pu遍bian都dou是shi模mo擬ni設she計ji為wei主zhu,缺que乏fa編bian程cheng方fang麵mian的de訓xun練lian。這zhe對dui數shu字zi電dian源yuan的de推tui廣guang也ye造zao成cheng了le一yi定ding的de障zhang礙ai。
人ren們men對dui數shu字zi電dian源yuan還hai有you一yi個ge擔dan心xin就jiu是shi它ta還hai不bu像xiang模mo擬ni電dian源yuan那na樣yang經jing過guo多duo年nian應ying用yong的de考kao驗yan,因yin而er可ke靠kao性xing不bu高gao。但dan就jiu像xiang數shu字zi電dian路lu在zai概gai念nian上shang就jiu優you於yu模mo擬ni電dian路lu一yi樣yang,可ke靠kao性xing是shi設she計ji的de問wen題ti,而er不bu是shi數shu字zi化hua的de問wen題ti。
不(bu)過(guo),成(cheng)本(ben)顯(xian)然(ran)是(shi)約(yue)束(shu)數(shu)字(zi)電(dian)源(yuan)廣(guang)泛(fan)應(ying)用(yong)的(de)一(yi)個(ge)主(zhu)要(yao)因(yin)素(su)。由(you)於(yu)數(shu)字(zi)實(shi)現(xian)方(fang)式(shi)的(de)成(cheng)本(ben)看(kan)似(si)高(gao)於(yu)相(xiang)似(si)的(de)模(mo)擬(ni)實(shi)現(xian)方(fang)式(shi),而(er)且(qie)人(ren)們(men)對(dui)於(yu)數(shu)字(zi)電(dian)源(yuan)產(chan)品(pin)的(de)采(cai)用(yong)存(cun)在(zai)顧(gu)慮(lv),所(suo)以(yi),從(cong)用(yong)戶(hu)的(de)角(jiao)度(du)來(lai)說(shuo),也(ye)隻(zhi)有(you)當(dang)數(shu)字(zi)電(dian)源(yuan)的(de)成(cheng)本(ben)等(deng)於(yu)或(huo)低(di)於(yu)模(mo)擬(ni)電(dian)源(yuan)(因為成本是中國市場考慮的第一市場因素),同時又能提供模擬電源做不到的許多先進功能的時候,數字電源才會被考慮。
綜上所述,在簡單易用、參數變更不多的應用場合,模擬電源產品更具優勢,因為其應用的針對性可以通過硬件固化來實現。而在可控因素較多、需要更快實時反應速度、需要管理多個電源、複雜的高性能係統應用中,數字電源則具有優勢。
數字電源的實現與進展
數字電源有幾種不同的含意,實現方式也各不相同。
最簡單的是數字檢測,包括監視開關電源的狀態,如溫度、輸入/出電流、輸入/出電壓、開關頻率(占空比)等,並根據需求向主機報告。故障狀態信息甚至時間標記等信息可以存儲在非易失性存儲器中,並在將來某個時間上報這些信息。
第二個定義是在“數字檢測”的基礎上通過數字接口控製開關電源,一般是通過I2C或類似的數字總線控製輸出電壓、開關頻率、多通道電源的(上/下電)排序、上升斜率、跟蹤、(軟)啟動、裕度控製、故障保護等等。實際上,目前市場上的很多電源管理集成電路都以這種方式工作。
第(di)三(san)個(ge)定(ding)義(yi)是(shi)用(yong)數(shu)字(zi)電(dian)路(lu)徹(che)底(di)取(qu)代(dai)開(kai)關(guan)電(dian)源(yuan)中(zhong)的(de)所(suo)有(you)模(mo)擬(ni)電(dian)路(lu),這(zhe)是(shi)真(zhen)正(zheng)的(de)原(yuan)生(sheng)數(shu)字(zi)電(dian)源(yuan)。隻(zhi)須(xu)編(bian)寫(xie)幾(ji)行(xing)簡(jian)單(dan)的(de)代(dai)碼(ma),一(yi)個(ge)核(he)心(xin)數(shu)字(zi)電(dian)源(yuan)集(ji)成(cheng)電(dian)路(lu)就(jiu)可(ke)以(yi)配(pei)置(zhi)成(cheng)升(sheng)壓(ya)穩(wen)壓(ya)器(qi)、降壓穩壓器、負輸出、SEPIC、反激式或正激式轉換器,這樣將使開關電源更容易設計、配置而且更穩定。但要實現這點從目前看來是相當困難的,因為從物理定律上來說,電流是模擬信號,即使用ADC和DSP取代誤差放大器和脈衝寬度調製器的數字開關電源也仍然需要電壓基準、電流檢測電路和FET驅動器,這些組件目前隻有模擬形式的產品。此外,電感器、變壓器以及電容器等模擬元器件在實現數字電源時也是不能沒有的。
傳統的模擬電源是以模擬控製環路為基礎的,如果在模擬控製環路外添加模擬量采樣、量化電路,並輔以通信電路,即可構成上麵第一個定義中所指的帶數字檢測的比較初級的數字電源。
目前的數字電源大都是按照上麵第二個定義(即數字控製+數字監視)實shi現xian的de,電dian源yuan內nei部bu的de模mo擬ni控kong製zhi環huan路lu由you數shu字zi控kong製zhi環huan路lu替ti代dai。未wei來lai是shi屬shu於yu數shu字zi電dian源yuan的de,但dan數shu字zi化hua是shi個ge漸jian進jin的de過guo程cheng,其qi發fa展zhan很hen可ke能neng由you同tong時shi使shi用yong模mo擬ni和he數shu字zi技ji術shu的de混hun合he係xi統tong開kai始shi,進jin而er演yan進jin到dao全quan數shu字zi實shi現xian。以yi前qian,數shu字zi化hua是shi以yi采cai用yong高gao成cheng本ben的de複fu雜za多duo芯xin片pian電dian路lu方fang案an為wei代dai價jia的de。例li如ru,一yi個ge具ju有you電dian壓ya、電流監視及控製能力的應用可能需要很多集成電路,如高穩定度基準源、高精度多通道ADC、DAC和專用微控製器,此外還需要不小的軟件開發工作量。如果再考慮成本、複雜性、線路板空間限製和嚴苛的產品上市時間要求,以數字方式管理電源的確需要人們付出不菲的代價。
最(zui)近(jin)出(chu)現(xian)的(de)數(shu)字(zi)電(dian)源(yuan)產(chan)品(pin)的(de)集(ji)成(cheng)度(du)和(he)易(yi)用(yong)性(xing)已(yi)經(jing)達(da)到(dao)一(yi)個(ge)更(geng)高(gao)的(de)高(gao)度(du)。包(bao)括(kuo)傳(chuan)統(tong)的(de)模(mo)擬(ni)電(dian)源(yuan)廠(chang)商(shang)和(he)新(xin)興(xing)的(de)數(shu)字(zi)電(dian)源(yuan)芯(xin)片(pian)設(she)計(ji)廠(chang)商(shang)在(zai)內(nei)的(de)大(da)部(bu)分(fen)廠(chang)商(shang)都(dou)在(zai)著(zhe)手(shou)解(jie)決(jue)純(chun)粹(cui)的(de)電(dian)源(yuan)轉(zhuan)換(huan)以(yi)外(wai)的(de)問(wen)題(ti),包(bao)括(kuo)添(tian)加(jia)監(jian)測(ce)功(gong)能(neng),提(ti)供(gong)可(ke)與(yu)係(xi)統(tong)通(tong)信(xin)的(de)數(shu)字(zi)接(jie)口(kou),以(yi)及(ji)建(jian)立(li)數(shu)字(zi)控(kong)製(zhi)反(fan)饋(kui)環(huan)路(lu),即(ji)在(zai)模(mo)擬(ni)變(bian)換(huan)器(qi)外(wai)麵(mian)使(shi)用(yong)“數字外殼”。常見的方案有兩種:
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(1)單芯片控製器方案。通過外接A/D轉換芯片進行取樣,取樣後對得到的數據進行運算處理,再把結果通過D/A轉換後傳送到PWMxinpian,congershixiandanxinpiankongzhiqiduikaiguandianyuandekongzhi。zhezhongfangandejishumuqianyijingbijiaochengshu,shejifangfarongyizhangwo,erqieduidanxinpiankongzhiqideyaoqiubugao,chengbenbijiaodi。danshizhengtaodianluyongdaoduogexinpian,dianlubijiaofuza;且經過A/D和D/A轉換等步驟,會造成比較大的信號延遲,進而影響電源的動態性能和穩壓精度。有些單芯片控製器整合了PWM輸出,但一般單芯片控製器的運行頻率有限,無法產生足夠高的頻率和精度的PWM輸出信號。
(2)通過高性能數字芯片(如DSP或MCU)對電源實現直接控製的方案。數字芯片完成信號采樣、處理和PWM輸出等工作。由於數字PWM輸出的信號功率不足以驅動開關管,一般還需通過一個驅動芯片驅動開關管,即數字控製器與功率級之間的接口由MOSFET驅動器提供。由於這些數字芯片有較高的取樣速度(DSP片內的AD轉換器完成一次A/D轉換隻需數百納秒,相較之下,一般8位MCU控製器要數微秒之久)和指令周期,輸出的PWMxinhaodefenbianlvjinshubaipimiao,guoliujianceheguanbidianyuanjinxushushinamiao,keyikuaisuyouxiaodeshixiangezhongfuzadekongzhisuanfa,shishejijubeijiaogaodedongtaixingnenghewenyajingdu。ciwai,zaiweichuliqidezhichixiatianjiaRS232/485、USB、以(yi)太(tai)網(wang)等(deng)擴(kuo)展(zhan)通(tong)信(xin)手(shou)段(duan)也(ye)非(fei)常(chang)方(fang)便(bian)。數(shu)字(zi)控(kong)製(zhi)的(de)電(dian)源(yuan)產(chan)品(pin)能(neng)夠(gou)實(shi)現(xian)大(da)部(bu)分(fen)數(shu)字(zi)電(dian)源(yuan)的(de)功(gong)能(neng)需(xu)求(qiu),但(dan)如(ru)果(guo)不(bu)添(tian)加(jia)一(yi)些(xie)額(e)外(wai)部(bu)件(jian),還(hai)實(shi)現(xian)不(bu)了(le)全(quan)部(bu)功(gong)能(neng)需(xu)求(qiu)。
這種“數字外殼”的架構存在以下問題:為了保證電源有較高的穩壓精度,A/D轉換器必需要有較高精度的取樣,但高精度的取樣頻率需要更長的A/D轉(zhuan)換(huan)時(shi)間(jian),造(zao)成(cheng)回(hui)路(lu)的(de)實(shi)時(shi)反(fan)應(ying)能(neng)力(li)變(bian)差(cha)。而(er)且(qie),高(gao)速(su)的(de)采(cai)樣(yang)和(he)運(yun)算(suan)將(jiang)產(chan)生(sheng)巨(ju)大(da)的(de)運(yun)算(suan)量(liang),能(neng)達(da)到(dao)實(shi)時(shi)要(yao)求(qiu)的(de)核(he)心(xin)處(chu)理(li)器(qi)還(hai)是(shi)很(hen)少(shao)的(de)。雖(sui)然(ran)在(zai)要(yao)求(qiu)比(bi)較(jiao)高(gao)的(de)場(chang)合(he)一(yi)般(ban)都(dou)會(hui)用(yong)DSP芯片,其運算和取樣速度快,功能強大,但DSP芯片結構複雜,成本比較高;而且DSP控製技術較難掌握,對設計者要求比較高。
通用DSP芯片不是專門作為電源控製芯片使用的,一般的電源應用對通用DSP芯片資源的利用率不高。不過目前以DSP為主要處理單元的數字電源芯片廠商,如TI、Freescale等公司都在優化其作為數字電源核心的DSP的結構,同時努力降低成本,並改善開發手段(提供評估板、IP模塊等),以幫助開發人員輕鬆地如期完成開發。除了DSP的方案,有的廠商提供基於MCU(如SiliconLabs公司)或狀態機(如Zilker公司)的方案。MCU長於控製,而狀態機的優點是低功耗。鑒於DSP和MCU兩種方案各有長處,現在有的廠商(如SiliconLabs公司、Microchip公司)開始將硬件DSP和輔助MCU同時集成入芯片中,使係統性能最優,效率已經可以與模擬電源相媲美。
軟ruan件jian設she計ji對dui數shu字zi電dian源yuan設she計ji人ren員yuan而er言yan是shi另ling一yi個ge挑tiao戰zhan。為wei降jiang低di數shu字zi電dian源yuan的de設she計ji門men檻kan,很hen多duo半ban導dao體ti廠chang商shang推tui出chu了le不bu需xu要yao軟ruan件jian編bian程cheng或huo者zhe支zhi持chi圖tu形xing用yong戶hu接jie口kou(GUI)的數字電源解決方案,設計人員通過GUI界麵就能設定電源特性參數,而不需要任何編程技能。此外,還可根據具體係統的情況,設定每個輸出電壓的跟蹤、shengyashijianheyanshideng。youdeshuzidianyuanguanlixinpianyunxushejirenyuantongguoxinpianguanjiaopeizhidianyuantexingcanshu。xuduoshuzidianyuanxinpianyunxuzaixitongyunxingzhongtongguodianyuanguanlizongxian(PMBus)來實時更改電源輸出特性。係統控製算法的設計通常是在專用的集成開發環境IDE中進行,例如TI的麵向DSP的CCS、SiliconLabs的基於MCS51的IDE等。
目前,數字電源芯片的集成度已經達到較高的水平,適合複雜係統如服務器、通信設備等使用。芯片中集成數個同步控製器和自適應驅動器,有的集成了MOSFET或功率驅動模塊、LDO、電荷泵及電源管理(包括熱管理)功能。其他有特色的特性還包括可編程中斷輸出、看門狗等。
先進的半導體製造工藝在數字電源芯片上也得以利用,其中數字電路應用0.18~0.25μmVLSI工藝;模數混合電路應用高壓BiCMOSgongyihaibijiaochangjian。youdechangshangjiejiandagonglvxinpiandechenggongsheji,zaishuzidianyuanxinpianshangcaiyongxianjindefengzhuangjishu,shixinpiankezaigongyejidewendufanweineikekaogongzuo。
PMBus
電源管理總線(PMBus)通信協議規範定義了一個用在功率轉換器件和管理器件之間的數字通信協議(包括接口和命令)。該規範對於數字電源產品的推廣有著非常重要的意義,意味著數字電源產品的接口完成了標準化。借助PMBus,數字電源可以依據一套標準命令進行配置、監控和維護(設置電源的工作參數並監控其工作,而且能夠在故障發生時采取應對措施),還能使多個數字電源產品協同工作。
PMBus規範的傳輸層基於低成本SMBus(係統管理總線)的1.1版本,這是個功能更為強健的基於業界標準I2C串行總線的版本,具有分組錯誤檢查和主機通知功能。
PMBus規範定義了2個必需信號和3個可選信號:必需信號為時鍾信號(SCL)和數據信號(SDA),可選信號為SMBALERT#、CONTROL和WP。SMBALERT#由任何需要獲得PMBus主控器支持的從屬設備發起。當SMBALERT#有效時,主控器在PMBus上發送告警(alert)響應地址,然後每個發信號(alerting)的器件將其器件地址放在SDA上。一旦器件成功地將其地址加入總線,它就會釋放SMBALERT#線。SMBALERT#信號可以使從屬設備(如負載點轉換器)中斷係統主機或總線的控製,這就使設計人員能夠更容易地實現基於事件驅動的閉環控製方案。CONTROL信號用於啟動和關閉單個從屬設備。WP信號可用於防止意外更改存儲器中的數據。此外,PMBus協議規定所有從屬設備必須將其默認的配置數據保存在永久性存儲器內或使用針腳編程,這樣它們在上電時無須與總線通信。
除采用SMBus傳輸層之外,PMBus規範還增加了用於電源設計的控製語言。PMBus的通信是按照一個連續的字節流進行的。每個字節流包含一個地址字節,一個命令字節,若幹個數據字節,以及一個可選的包錯誤碼(PEC)字節。主機使用單獨的“開始”和“停止”信xin號hao來lai表biao明ming一yi個ge通tong信xin過guo程cheng的de開kai始shi和he結jie束shu。而er從cong屬shu設she備bei則ze使shi用yong單dan獨du的de位wei來lai確que認ren收shou到dao的de每mei個ge字zi節jie。為wei了le減jian少shao響xiang應ying時shi間jian及ji處chu理li器qi開kai銷xiao,從cong屬shu設she備bei在zai收shou到dao“停止”信號時立即處理並執行命令。
毫無疑問,suizheshuzikongzhijishudefazhanheshichangxuqiudequdong,dianyuanlingyulishuzidianyuandeyoushijianghuiyuelaiyuemingxian,dancongmonidianyuandaoshuzidianyuandewanquanzhuanhuanhaixuyaohenchangshijian,yincimoniheshuzikongzhijishujiangzaiweilaishunianneigongcun。shuzidianyuanjishuweidianyuanshejilingyuzhurulexindehuoli,同時也對電源設計人員提出了更高的要求。如何在傳統技術的基礎上不斷創新,進而設計出滿足未來市場需求的電源係統將成為電源設計人員必須麵對的新課題。
- 模擬電源的優勢與不足
- 數字電源的優勢與不足
- 電源管理總線方案
- 單芯片控製器方案。
- 通過高性能數字芯片(如DSP或MCU)對電源實現直接控製的方案
隨著半導體工藝技術的不斷升級,電路板上的元器件運行速度更快、體積更小,而且還要求更多、更低的供電電壓和更大的供電電流;最終係統的功能不斷增加,平均售價卻不斷下降。此外,用戶對電源的故障修複時間、電源運行狀態的感知與控製的要求越來越高,電源設計人員不再滿足於實時監控電流、電壓、溫度,還提出了診斷電源供應情況、靈(ling)活(huo)設(she)定(ding)每(mei)個(ge)輸(shu)出(chu)電(dian)壓(ya)參(can)數(shu)的(de)要(yao)求(qiu)。這(zhe)些(xie)需(xu)求(qiu)已(yi)是(shi)今(jin)日(ri)的(de)模(mo)擬(ni)解(jie)決(jue)方(fang)案(an)難(nan)以(yi)滿(man)足(zu)的(de)。因(yin)此(ci),作(zuo)為(wei)電(dian)源(yuan)管(guan)理(li)發(fa)展(zhan)的(de)新(xin)思(si)路(lu)的(de)數(shu)字(zi)電(dian)源(yuan)應(ying)運(yun)而(er)生(sheng),其(qi)目(mu)標(biao)就(jiu)是(shi)將(jiang)電(dian)源(yuan)轉(zhuan)換(huan)與(yu)電(dian)源(yuan)管(guan)理(li)架(jia)構(gou)用(yong)數(shu)字(zi)方(fang)法(fa)集(ji)成(cheng)到(dao)單(dan)芯(xin)片(pian)中(zhong),實(shi)現(xian)智(zhi)能(neng)、高效的轉換與控製及通信。
數字電源是采用數字方式實現電源的控製、保護回路與通信接口的新型電源技術。可編程、響應性和數字環路控製是表征數字電源的3個主要特征。
suizhedianyuanxitongdexingnenghegonglvdebuduantigao,shixiandianyuanxingnengzhibiaosuobixudeyuanjianshulianghechengbenyesuizhizengjia,yuelaiyueduodekongzhixuyaotongguojuyouchengbenxiaoyideshuzidianlushixian。yibanrenwei,zaishejiDC/DC變換器時,通常100W以上的係統中會應用數字控製技術;而在設計AC/DC變換器時,250W以上的係統會應用數字技術,這樣電源的經濟性會更高一些。因此,在未來的電源係統中,模擬與數字技術將共存相當一段時間。30年前,電源行業轉向開關電源是一個很大的變化,而電源數字化趨勢將會是一個更大的變化。
模擬電源的優勢與不足
目前,除了一些專門用於微處理器的轉換器之外,市場上大多數磚形轉換器、中間總線轉換器及負載點POL轉換器仍采用模擬控製。這是因為許多模擬電源係統經過了多年的檢驗,可靠性還是很高的。
可盡管模擬電源解決方案的成本、性能(如負載變化時的電源響應時間)、zhanbanmianjidengzhibiaodouyouyudangqiandeshuzidianyuanjiejuefangan,danduikaifarenyuanlaishuo,tawanquanshiyizhonggudingmoshideheiheyingyong,yizhilekaifarenyuanfahuichuangzaolidejiqing。duidianyuanjinxingtongbugenzong、電壓排序、故障診斷及適應環境變化的能力還是比較差的。
目前,許多高性能的DC/DC轉換器仍通過簡單的無源器件產生的模擬信號進行設置和控製。即使是具有最先進拓撲結構的高性能轉換器,也還需要使用外部電阻、電容來確定諸如啟動時間、輸出點值及開關頻率等參數。這些電阻、電(dian)容(rong)的(de)值(zhi)都(dou)是(shi)設(she)計(ji)調(tiao)試(shi)時(shi)確(que)定(ding)的(de),製(zhi)造(zao)完(wan)成(cheng)後(hou)不(bu)可(ke)輕(qing)易(yi)更(geng)改(gai),因(yin)此(ci)自(zi)適(shi)應(ying)的(de)電(dian)源(yuan)管(guan)理(li)方(fang)案(an)也(ye)就(jiu)不(bu)可(ke)能(neng)實(shi)現(xian)。而(er)且(qie),為(wei)實(shi)現(xian)更(geng)多(duo)功(gong)能(neng),就(jiu)要(yao)設(she)計(ji)更(geng)多(duo)的(de)直(zhi)接(jie)反(fan)饋(kui)電(dian)路(lu),所(suo)以(yi)模(mo)擬(ni)控(kong)製(zhi)環(huan)路(lu)會(hui)變(bian)得(de)非(fei)常(chang)複(fu)雜(za)。
chuantongdemonikongzhijiagouyijingshiyongduonian,danrengyoubushaoquexian。julilaishuo,monikongzhidianluyinweishiyongxuduoyuanqijianerxuyaohendakongjian,zhexieyuanqijianbenshendezhihaihuisuishiyongshijian、溫度和其他環境條件的變化而變動,從而對係統穩定性和響應能力造成負麵影響。模擬控製的控製-響xiang應ying特te性xing是shi由you分fen立li元yuan器qi件jian的de值zhi決jue定ding的de,它ta總zong是shi麵mian向xiang一yi個ge範fan圍wei狹xia窄zhai的de特te定ding負fu載zai,因yin此ci無wu法fa為wei所suo有you電dian壓ya值zhi或huo負fu載zai點dian提ti供gong最zui優you化hua的de控kong製zhi響xiang應ying。換huan句ju話hua說shuo,如ru果guo你ni需xu要yao一yi個ge可ke以yi在zai很hen多duo產chan品pin中zhong重zhong複fu使shi用yong而er不bu必bi更geng換huan部bu件jian的de設she計ji平ping台tai,則ze模mo擬ni方fang案an難nan以yi勝sheng任ren。除chu此ci之zhi外wai,模mo擬ni係xi統tong的de測ce試shi和he維wei修xiu都dou非fei常chang困kun難nan。
數字電源的優勢與不足
數字電源正是為了克服現代電源的複雜性而提出的,它實現了數字和模擬技術的融合,提供了很強的適應性與靈活性,具備直接監視、處理並適應係統條件的能力,能夠滿足幾乎任何電源要求。數字電源還可通過遠程診斷以確保持續的係統可靠性,實現故障管理、過電壓(流)保護、自動冗餘等功能。由於數字電源的集成度很高,係統的複雜性並不隨功能的增加而增加過多,外圍器件很少(數字電源的快速響應能力還可以降低對輸出濾波電容的要求),減少了占板麵積,簡化了設計製造流程。同時,數字電源的自動診斷、調節的能力使調試和維護工作變得輕鬆。
數字電源管理芯片易於在多相以及同步信號下進行多相式並聯應用,可擴展性與重複性優秀,輕鬆實現負載均流,減少EMI,bingjianhualvbodianlusheji。shuzikongzhidelinghuoxingnengbadianyuanzuhechengchuanlianhuobinglianmoxing,xingchengxunidianyuan。erqie,shuzidianyuandezhinenghuakebaozhengzaigezhongshurudianyahefuzaidianshangdoujuyouzuiyoudegonglvzhuanhuanxiaolv。
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相對模擬控製技術,數字技術的獨特優勢還包括在線可編程能力、更先進的控製算法、更好的效率優化、更高的操作精確度和可靠性、優秀的係統管理和互聯功能。數字電源不存在模擬電源中常見的誤差、老化(包括模擬器件的精度)、溫度影響、漂移、補償等問題,無須調諧、可靠性好,可以獲得一致、穩定的控製參數。數字電源的運算特性使它更易於實現非線性控製(可改善電源的瞬態響應能力)和多環路控製等高級控製算法;更新固件即可實現新的拓撲結構和控製算法,更改電源參數也無須變更板卡上的元器件。
數字控製還能讓硬件平台重複使用,通過設計不同固件即可滿足各種最終係統的獨特要求,從而加快產品上市,減少開發成本、元器件庫存與風險。
數字電源已經表現出相當多的優點,但仍有一些缺點需要克服。例如,模擬控製對信號狀態的反應是瞬時的,而數字電源需要一個采樣、lianghuahechulideguochenglaiduifuzaidebianhuazuochufankui,yincitaduifuzaibianhuadexiangyingsudumuqianhaibibushangmonidianyuan。shuzidianyuandezhanbanmianjiyaodayumonidianyuan,jingduhexiaolvyebimonidianyuanshaocha。suiranshuzikongzhifangfadeyoudianzaifuzaidian(POL)係統中非常明顯,但模擬電源在分辨率、帶寬、與功率元件的電壓兼容性、功耗、開關頻率和成本(在簡單應用中)dengfangmianrengranzhanyouyoushi。buguo,ruguokaolvdaoshuzidianyuanjiejuefanganjuyoudeyoudian,shiyongmonidianludajiangongnengxiangsidedianlu,chengbenbingbuyidingjiubishuzidianyuandi。
數shu字zi電dian源yuan中zhong包bao含han的de技ji術shu無wu疑yi是shi複fu雜za的de,但dan它ta的de使shi用yong並bing不bu一yi定ding就jiu複fu雜za。不bu過guo它ta要yao求qiu設she計ji人ren員yuan具ju有you一yi定ding的de程cheng序xu設she計ji能neng力li,而er目mu前qian的de電dian源yuan設she計ji人ren員yuan普pu遍bian都dou是shi模mo擬ni設she計ji為wei主zhu,缺que乏fa編bian程cheng方fang麵mian的de訓xun練lian。這zhe對dui數shu字zi電dian源yuan的de推tui廣guang也ye造zao成cheng了le一yi定ding的de障zhang礙ai。
人ren們men對dui數shu字zi電dian源yuan還hai有you一yi個ge擔dan心xin就jiu是shi它ta還hai不bu像xiang模mo擬ni電dian源yuan那na樣yang經jing過guo多duo年nian應ying用yong的de考kao驗yan,因yin而er可ke靠kao性xing不bu高gao。但dan就jiu像xiang數shu字zi電dian路lu在zai概gai念nian上shang就jiu優you於yu模mo擬ni電dian路lu一yi樣yang,可ke靠kao性xing是shi設she計ji的de問wen題ti,而er不bu是shi數shu字zi化hua的de問wen題ti。
不(bu)過(guo),成(cheng)本(ben)顯(xian)然(ran)是(shi)約(yue)束(shu)數(shu)字(zi)電(dian)源(yuan)廣(guang)泛(fan)應(ying)用(yong)的(de)一(yi)個(ge)主(zhu)要(yao)因(yin)素(su)。由(you)於(yu)數(shu)字(zi)實(shi)現(xian)方(fang)式(shi)的(de)成(cheng)本(ben)看(kan)似(si)高(gao)於(yu)相(xiang)似(si)的(de)模(mo)擬(ni)實(shi)現(xian)方(fang)式(shi),而(er)且(qie)人(ren)們(men)對(dui)於(yu)數(shu)字(zi)電(dian)源(yuan)產(chan)品(pin)的(de)采(cai)用(yong)存(cun)在(zai)顧(gu)慮(lv),所(suo)以(yi),從(cong)用(yong)戶(hu)的(de)角(jiao)度(du)來(lai)說(shuo),也(ye)隻(zhi)有(you)當(dang)數(shu)字(zi)電(dian)源(yuan)的(de)成(cheng)本(ben)等(deng)於(yu)或(huo)低(di)於(yu)模(mo)擬(ni)電(dian)源(yuan)(因為成本是中國市場考慮的第一市場因素),同時又能提供模擬電源做不到的許多先進功能的時候,數字電源才會被考慮。
綜上所述,在簡單易用、參數變更不多的應用場合,模擬電源產品更具優勢,因為其應用的針對性可以通過硬件固化來實現。而在可控因素較多、需要更快實時反應速度、需要管理多個電源、複雜的高性能係統應用中,數字電源則具有優勢。
數字電源的實現與進展
數字電源有幾種不同的含意,實現方式也各不相同。
最簡單的是數字檢測,包括監視開關電源的狀態,如溫度、輸入/出電流、輸入/出電壓、開關頻率(占空比)等,並根據需求向主機報告。故障狀態信息甚至時間標記等信息可以存儲在非易失性存儲器中,並在將來某個時間上報這些信息。
第二個定義是在“數字檢測”的基礎上通過數字接口控製開關電源,一般是通過I2C或類似的數字總線控製輸出電壓、開關頻率、多通道電源的(上/下電)排序、上升斜率、跟蹤、(軟)啟動、裕度控製、故障保護等等。實際上,目前市場上的很多電源管理集成電路都以這種方式工作。
第(di)三(san)個(ge)定(ding)義(yi)是(shi)用(yong)數(shu)字(zi)電(dian)路(lu)徹(che)底(di)取(qu)代(dai)開(kai)關(guan)電(dian)源(yuan)中(zhong)的(de)所(suo)有(you)模(mo)擬(ni)電(dian)路(lu),這(zhe)是(shi)真(zhen)正(zheng)的(de)原(yuan)生(sheng)數(shu)字(zi)電(dian)源(yuan)。隻(zhi)須(xu)編(bian)寫(xie)幾(ji)行(xing)簡(jian)單(dan)的(de)代(dai)碼(ma),一(yi)個(ge)核(he)心(xin)數(shu)字(zi)電(dian)源(yuan)集(ji)成(cheng)電(dian)路(lu)就(jiu)可(ke)以(yi)配(pei)置(zhi)成(cheng)升(sheng)壓(ya)穩(wen)壓(ya)器(qi)、降壓穩壓器、負輸出、SEPIC、反激式或正激式轉換器,這樣將使開關電源更容易設計、配置而且更穩定。但要實現這點從目前看來是相當困難的,因為從物理定律上來說,電流是模擬信號,即使用ADC和DSP取代誤差放大器和脈衝寬度調製器的數字開關電源也仍然需要電壓基準、電流檢測電路和FET驅動器,這些組件目前隻有模擬形式的產品。此外,電感器、變壓器以及電容器等模擬元器件在實現數字電源時也是不能沒有的。
傳統的模擬電源是以模擬控製環路為基礎的,如果在模擬控製環路外添加模擬量采樣、量化電路,並輔以通信電路,即可構成上麵第一個定義中所指的帶數字檢測的比較初級的數字電源。
目前的數字電源大都是按照上麵第二個定義(即數字控製+數字監視)實shi現xian的de,電dian源yuan內nei部bu的de模mo擬ni控kong製zhi環huan路lu由you數shu字zi控kong製zhi環huan路lu替ti代dai。未wei來lai是shi屬shu於yu數shu字zi電dian源yuan的de,但dan數shu字zi化hua是shi個ge漸jian進jin的de過guo程cheng,其qi發fa展zhan很hen可ke能neng由you同tong時shi使shi用yong模mo擬ni和he數shu字zi技ji術shu的de混hun合he係xi統tong開kai始shi,進jin而er演yan進jin到dao全quan數shu字zi實shi現xian。以yi前qian,數shu字zi化hua是shi以yi采cai用yong高gao成cheng本ben的de複fu雜za多duo芯xin片pian電dian路lu方fang案an為wei代dai價jia的de。例li如ru,一yi個ge具ju有you電dian壓ya、電流監視及控製能力的應用可能需要很多集成電路,如高穩定度基準源、高精度多通道ADC、DAC和專用微控製器,此外還需要不小的軟件開發工作量。如果再考慮成本、複雜性、線路板空間限製和嚴苛的產品上市時間要求,以數字方式管理電源的確需要人們付出不菲的代價。
最(zui)近(jin)出(chu)現(xian)的(de)數(shu)字(zi)電(dian)源(yuan)產(chan)品(pin)的(de)集(ji)成(cheng)度(du)和(he)易(yi)用(yong)性(xing)已(yi)經(jing)達(da)到(dao)一(yi)個(ge)更(geng)高(gao)的(de)高(gao)度(du)。包(bao)括(kuo)傳(chuan)統(tong)的(de)模(mo)擬(ni)電(dian)源(yuan)廠(chang)商(shang)和(he)新(xin)興(xing)的(de)數(shu)字(zi)電(dian)源(yuan)芯(xin)片(pian)設(she)計(ji)廠(chang)商(shang)在(zai)內(nei)的(de)大(da)部(bu)分(fen)廠(chang)商(shang)都(dou)在(zai)著(zhe)手(shou)解(jie)決(jue)純(chun)粹(cui)的(de)電(dian)源(yuan)轉(zhuan)換(huan)以(yi)外(wai)的(de)問(wen)題(ti),包(bao)括(kuo)添(tian)加(jia)監(jian)測(ce)功(gong)能(neng),提(ti)供(gong)可(ke)與(yu)係(xi)統(tong)通(tong)信(xin)的(de)數(shu)字(zi)接(jie)口(kou),以(yi)及(ji)建(jian)立(li)數(shu)字(zi)控(kong)製(zhi)反(fan)饋(kui)環(huan)路(lu),即(ji)在(zai)模(mo)擬(ni)變(bian)換(huan)器(qi)外(wai)麵(mian)使(shi)用(yong)“數字外殼”。常見的方案有兩種:
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(1)單芯片控製器方案。通過外接A/D轉換芯片進行取樣,取樣後對得到的數據進行運算處理,再把結果通過D/A轉換後傳送到PWMxinpian,congershixiandanxinpiankongzhiqiduikaiguandianyuandekongzhi。zhezhongfangandejishumuqianyijingbijiaochengshu,shejifangfarongyizhangwo,erqieduidanxinpiankongzhiqideyaoqiubugao,chengbenbijiaodi。danshizhengtaodianluyongdaoduogexinpian,dianlubijiaofuza;且經過A/D和D/A轉換等步驟,會造成比較大的信號延遲,進而影響電源的動態性能和穩壓精度。有些單芯片控製器整合了PWM輸出,但一般單芯片控製器的運行頻率有限,無法產生足夠高的頻率和精度的PWM輸出信號。
(2)通過高性能數字芯片(如DSP或MCU)對電源實現直接控製的方案。數字芯片完成信號采樣、處理和PWM輸出等工作。由於數字PWM輸出的信號功率不足以驅動開關管,一般還需通過一個驅動芯片驅動開關管,即數字控製器與功率級之間的接口由MOSFET驅動器提供。由於這些數字芯片有較高的取樣速度(DSP片內的AD轉換器完成一次A/D轉換隻需數百納秒,相較之下,一般8位MCU控製器要數微秒之久)和指令周期,輸出的PWMxinhaodefenbianlvjinshubaipimiao,guoliujianceheguanbidianyuanjinxushushinamiao,keyikuaisuyouxiaodeshixiangezhongfuzadekongzhisuanfa,shishejijubeijiaogaodedongtaixingnenghewenyajingdu。ciwai,zaiweichuliqidezhichixiatianjiaRS232/485、USB、以(yi)太(tai)網(wang)等(deng)擴(kuo)展(zhan)通(tong)信(xin)手(shou)段(duan)也(ye)非(fei)常(chang)方(fang)便(bian)。數(shu)字(zi)控(kong)製(zhi)的(de)電(dian)源(yuan)產(chan)品(pin)能(neng)夠(gou)實(shi)現(xian)大(da)部(bu)分(fen)數(shu)字(zi)電(dian)源(yuan)的(de)功(gong)能(neng)需(xu)求(qiu),但(dan)如(ru)果(guo)不(bu)添(tian)加(jia)一(yi)些(xie)額(e)外(wai)部(bu)件(jian),還(hai)實(shi)現(xian)不(bu)了(le)全(quan)部(bu)功(gong)能(neng)需(xu)求(qiu)。
這種“數字外殼”的架構存在以下問題:為了保證電源有較高的穩壓精度,A/D轉換器必需要有較高精度的取樣,但高精度的取樣頻率需要更長的A/D轉(zhuan)換(huan)時(shi)間(jian),造(zao)成(cheng)回(hui)路(lu)的(de)實(shi)時(shi)反(fan)應(ying)能(neng)力(li)變(bian)差(cha)。而(er)且(qie),高(gao)速(su)的(de)采(cai)樣(yang)和(he)運(yun)算(suan)將(jiang)產(chan)生(sheng)巨(ju)大(da)的(de)運(yun)算(suan)量(liang),能(neng)達(da)到(dao)實(shi)時(shi)要(yao)求(qiu)的(de)核(he)心(xin)處(chu)理(li)器(qi)還(hai)是(shi)很(hen)少(shao)的(de)。雖(sui)然(ran)在(zai)要(yao)求(qiu)比(bi)較(jiao)高(gao)的(de)場(chang)合(he)一(yi)般(ban)都(dou)會(hui)用(yong)DSP芯片,其運算和取樣速度快,功能強大,但DSP芯片結構複雜,成本比較高;而且DSP控製技術較難掌握,對設計者要求比較高。
通用DSP芯片不是專門作為電源控製芯片使用的,一般的電源應用對通用DSP芯片資源的利用率不高。不過目前以DSP為主要處理單元的數字電源芯片廠商,如TI、Freescale等公司都在優化其作為數字電源核心的DSP的結構,同時努力降低成本,並改善開發手段(提供評估板、IP模塊等),以幫助開發人員輕鬆地如期完成開發。除了DSP的方案,有的廠商提供基於MCU(如SiliconLabs公司)或狀態機(如Zilker公司)的方案。MCU長於控製,而狀態機的優點是低功耗。鑒於DSP和MCU兩種方案各有長處,現在有的廠商(如SiliconLabs公司、Microchip公司)開始將硬件DSP和輔助MCU同時集成入芯片中,使係統性能最優,效率已經可以與模擬電源相媲美。
軟ruan件jian設she計ji對dui數shu字zi電dian源yuan設she計ji人ren員yuan而er言yan是shi另ling一yi個ge挑tiao戰zhan。為wei降jiang低di數shu字zi電dian源yuan的de設she計ji門men檻kan,很hen多duo半ban導dao體ti廠chang商shang推tui出chu了le不bu需xu要yao軟ruan件jian編bian程cheng或huo者zhe支zhi持chi圖tu形xing用yong戶hu接jie口kou(GUI)的數字電源解決方案,設計人員通過GUI界麵就能設定電源特性參數,而不需要任何編程技能。此外,還可根據具體係統的情況,設定每個輸出電壓的跟蹤、shengyashijianheyanshideng。youdeshuzidianyuanguanlixinpianyunxushejirenyuantongguoxinpianguanjiaopeizhidianyuantexingcanshu。xuduoshuzidianyuanxinpianyunxuzaixitongyunxingzhongtongguodianyuanguanlizongxian(PMBus)來實時更改電源輸出特性。係統控製算法的設計通常是在專用的集成開發環境IDE中進行,例如TI的麵向DSP的CCS、SiliconLabs的基於MCS51的IDE等。
目前,數字電源芯片的集成度已經達到較高的水平,適合複雜係統如服務器、通信設備等使用。芯片中集成數個同步控製器和自適應驅動器,有的集成了MOSFET或功率驅動模塊、LDO、電荷泵及電源管理(包括熱管理)功能。其他有特色的特性還包括可編程中斷輸出、看門狗等。
先進的半導體製造工藝在數字電源芯片上也得以利用,其中數字電路應用0.18~0.25μmVLSI工藝;模數混合電路應用高壓BiCMOSgongyihaibijiaochangjian。youdechangshangjiejiandagonglvxinpiandechenggongsheji,zaishuzidianyuanxinpianshangcaiyongxianjindefengzhuangjishu,shixinpiankezaigongyejidewendufanweineikekaogongzuo。
PMBus
電源管理總線(PMBus)通信協議規範定義了一個用在功率轉換器件和管理器件之間的數字通信協議(包括接口和命令)。該規範對於數字電源產品的推廣有著非常重要的意義,意味著數字電源產品的接口完成了標準化。借助PMBus,數字電源可以依據一套標準命令進行配置、監控和維護(設置電源的工作參數並監控其工作,而且能夠在故障發生時采取應對措施),還能使多個數字電源產品協同工作。
PMBus規範的傳輸層基於低成本SMBus(係統管理總線)的1.1版本,這是個功能更為強健的基於業界標準I2C串行總線的版本,具有分組錯誤檢查和主機通知功能。
PMBus規範定義了2個必需信號和3個可選信號:必需信號為時鍾信號(SCL)和數據信號(SDA),可選信號為SMBALERT#、CONTROL和WP。SMBALERT#由任何需要獲得PMBus主控器支持的從屬設備發起。當SMBALERT#有效時,主控器在PMBus上發送告警(alert)響應地址,然後每個發信號(alerting)的器件將其器件地址放在SDA上。一旦器件成功地將其地址加入總線,它就會釋放SMBALERT#線。SMBALERT#信號可以使從屬設備(如負載點轉換器)中斷係統主機或總線的控製,這就使設計人員能夠更容易地實現基於事件驅動的閉環控製方案。CONTROL信號用於啟動和關閉單個從屬設備。WP信號可用於防止意外更改存儲器中的數據。此外,PMBus協議規定所有從屬設備必須將其默認的配置數據保存在永久性存儲器內或使用針腳編程,這樣它們在上電時無須與總線通信。
除采用SMBus傳輸層之外,PMBus規範還增加了用於電源設計的控製語言。PMBus的通信是按照一個連續的字節流進行的。每個字節流包含一個地址字節,一個命令字節,若幹個數據字節,以及一個可選的包錯誤碼(PEC)字節。主機使用單獨的“開始”和“停止”信xin號hao來lai表biao明ming一yi個ge通tong信xin過guo程cheng的de開kai始shi和he結jie束shu。而er從cong屬shu設she備bei則ze使shi用yong單dan獨du的de位wei來lai確que認ren收shou到dao的de每mei個ge字zi節jie。為wei了le減jian少shao響xiang應ying時shi間jian及ji處chu理li器qi開kai銷xiao,從cong屬shu設she備bei在zai收shou到dao“停止”信號時立即處理並執行命令。
毫無疑問,suizheshuzikongzhijishudefazhanheshichangxuqiudequdong,dianyuanlingyulishuzidianyuandeyoushijianghuiyuelaiyuemingxian,dancongmonidianyuandaoshuzidianyuandewanquanzhuanhuanhaixuyaohenchangshijian,yincimoniheshuzikongzhijishujiangzaiweilaishunianneigongcun。shuzidianyuanjishuweidianyuanshejilingyuzhurulexindehuoli,同時也對電源設計人員提出了更高的要求。如何在傳統技術的基礎上不斷創新,進而設計出滿足未來市場需求的電源係統將成為電源設計人員必須麵對的新課題。
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