整合電源管理與轉換，簡化電源系統(tǒng)設計

當今，面向電信及數據通信市場的先進電子系統(tǒng)大量依賴于高性能、精細線度數字IC（FPGA、DSP和/或ASIC）快速有效地處理對時間敏感的數字數據。對更高帶寬的需求已迫使這些數字IC的制造商追求領先的工藝技術，以便在將功耗降至最低時優(yōu)化性能。但是，這一趨勢也產生了前幾代工藝中所沒有的多種電源管理問題。降低內核電壓電平提高負載電流，采用亞100納米工藝技術實現的更小芯片尺寸使這些IC中的電流密度急劇增加。此外，分離的電壓層與多核架構的使用還迫使系統(tǒng)設計人員提供更多的獨特電壓層，以及在這些電壓之間提供特定的排序。外部電源管理IC已可提供，它們可解決這些高端系統(tǒng)所產生的一個或多個問題，但如何使這些IC與電源轉換塊無縫協(xié)作仍是一個亟待解決的問題，這經常需要多個分立元件并進行大量軟件開發(fā)。

另一個棘手的問題來自難以預料的FPGA或ASIC最佳運行參數的變化。最終的特性結果有時會迫使設計人員在構建了初始硬件后更改他們的設計，從而導致他們在以下兩個方面上很難做出決定：利用性能更低的產品抓住所需的市場商機，還是冒可能給予競爭對手上市時間優(yōu)勢的延誤風險。根據所選的電源架構，這種更改可能如同以下情況那樣復雜：需要額外電壓域和新的排序，以及調整系統(tǒng)的熱作業(yè)面（operating profile），以確保在同一位置出現更高的總功耗時保持可靠性。

具有整合電源管理的負載點轉換器有助于系統(tǒng)設計人員開發(fā)具有分布式智能的電源系統(tǒng)架構。這些架構具有更高的性能，而且比傳統(tǒng)模擬電源架構更容易設計。這種智能電源系統(tǒng)還可使系統(tǒng)設計人員在研發(fā)周期后期快速適應系統(tǒng)要求變化，而且不會出現大量硬件再設計或重大的軟件開發(fā)延遲問題，從而縮短了產品上市時間，并可使電源系統(tǒng)架構在具有不同電源要求的眾多產品間輕松地進行再利用。

PMBus實現了兼容性

為簡化智能電源系統(tǒng)設計，我們必須首先提供大量兼容的電源產品，而且這些產品需要具有實施復雜電源管理功能所需的靈活性和智能，同時可減輕結合不同電源元件的負擔。為滿足這一要求，幾家電源IC及電源模塊公司創(chuàng)建了Power Management Bus（PMBus），這是一個通過I2C或SMBus硬件接口提供的標準指令集。這種開放式標準指令集有助于電源元件制造商（IC及模塊）提供兼容的產品。這些產品可輕松進行集成，以創(chuàng)建先前需要大量設計和定制軟硬件的定制智能電源架構。此外，它還提供了標準PMBus命令，以支持多個電源管理功能，其中包括電壓排序、邊限、電壓、電流及溫度監(jiān)控，以及廣泛的故障管理。此外，每個PMBus命令必須由任何相一致的器件（無論制造商、外形或功率級如何）以同樣方式加以解釋，從而可輕松擴展簡單的系統(tǒng)軟件工作，以便包含所需數目的電源域。

系統(tǒng)設計示例



表1說明了嵌入式電信設計的典型系統(tǒng)電源要求，以及與各種電源域相關的任何管理要求。電壓與負載電流范圍廣，在整個工作電壓范圍內測試功能需要電壓邊限，每個器件的電壓必須能夠動態(tài)加以控制，以便在各種工作條件下優(yōu)化性能。此外，還必須監(jiān)控每個負載器件的電壓、電流及溫度，以便提供有關這些高性能、高價格IC正常情況的準確反饋，并確保系統(tǒng)在指定的溫度范圍內運行。混合使用多種高密度邏輯IC還需要電壓排序與跟蹤的獨特組合。為實現系統(tǒng)兼容性并將通過背板的輸入電流降至最小，我們選擇了12V的輸入總線電壓。這種設計一般涉及多個電源轉換IC、多個外部電源管理IC及分立元件，以實施排序、跟蹤、邊限及監(jiān)控功能。但通過使用可與PMBus兼容的產品，利用最少的獨特電源轉換IC及最少的器件間連接（如圖1所示）即可輕松構建該系統(tǒng)。



對于更高的電流供應，我們選擇了單相PMBus DC/DC控制器（ZL2005），因為該控制器能夠靈活地處理高達30A的負載電流，而且通過與多個器件并聯(lián)，它還能夠傳輸更高的負載電流。對于低電流（低于3A）供應，我們選擇了具有整合MOSFET的PMBus DC/DC轉換器（ZL2105），因為其外形較小。每個器件中均整合了所有必需的電源管理功能，因此可非常輕松地根據每個設備的單獨要求對它們進行配置，同時可將分立元件數減至最少，以及最大程度地減小與一般用于配置模擬電源IC的R/C網絡相關的容差。此外，每個IC均整合了高度精確的溫度傳感器，從而使為特定負載IC供電的IC能夠實時監(jiān)控其溫度。

無需使用排序器進行排序

這些IC的眾多獨特功能之一是它們能夠在無需外部排序器IC或軟件開發(fā)的情況下實施確定性的排序算法。利用簡單的引腳連接可設定每個IC的輸出電壓上升持續(xù)時間，并可對每個電源加以配置，使其在特定時間開始輸出上升，或者跟隨另一個系統(tǒng)電壓的輸出上升。通過將跟蹤器件的VTRK引腳與將加以跟蹤的電壓相連，還可輕松配置電壓跟蹤；可使用相同引腳連接方法選擇一致跟蹤或比例跟蹤。使用這種簡單方案可快速配置整個系統(tǒng)排序順序和/或跟蹤比率，無需主機處理器或軟件開發(fā)。圖2顯示了多個電壓間排序與一致跟蹤的最終組合。




適應系統(tǒng)要求的變化

當為高性能數字IC供電時，例如FPGA、DSP及ASIC，初始化硬件后電壓與排序要求經常會發(fā)生變化。例如，在最初測試后，確定只有在第一次對邏輯電源加電或在FPGA內核供電前對FPGA I/O電源加電（與最初設計假設相反）時系統(tǒng)性能才能符合設計目標。使用傳統(tǒng)電源管理IC實施這種更改將需要進行硬件及系統(tǒng)軟件更改，從而會失去關鍵的市場機會。但使用支持PMBus的電源管理IC，這些更改可通過幾個簡單的PMBus命令重新配置排序來加以實施。系統(tǒng)修改僅限于非常簡單的軟件更改，無硬件更改，從而可使設計人員保持相同的項目期限。圖3顯示了已快速進行了重新配置的新排序。