電源架構(gòu)和電源管理總線介紹

　　人們需要高效率、低功耗、符合能效規(guī)范的電子設(shè)備，需要更高性能、更小形狀因數(shù)的無線系統(tǒng)，這為電源和電源管理設(shè)計(jì)提出巨大的排戰(zhàn)。設(shè)計(jì)人員要為各種DSP、MCU、FPGA、ASIC、音頻/視頻和顯示電路提供多電壓、更大電流、更高效率、更低功耗、更低噪聲、更小形狀因數(shù)的電源和電源管理。為此出現(xiàn)了各種各樣的電源架構(gòu)來滿足變化的電源管理要求。

　　分布式電源架構(gòu)

　　分布式電源架構(gòu)（Distributed Power Architecture,PDA）是基站用的第一代電源架構(gòu)。PDA的一個(gè)實(shí)例示于圖1.這種電源架構(gòu)對(duì)每個(gè)電壓軌用隔離（磚式）電源模塊提供。當(dāng)電壓軌有限時(shí)，PDA工作良好，但每增加1個(gè)電壓軌，其成本和PCB面積都顯著增加。電壓軌時(shí)序也是困難的，需要增加外部電路來解決電壓軌時(shí)序，這也會(huì)增加成本和板面積。

圖1 典型的DPA架構(gòu)

　　中間總線架構(gòu)

　　為了克服DPA尺寸大和成本高的缺點(diǎn)，第二代系統(tǒng)采用中間總線（Intermediate Bus Architecture,IBA）架構(gòu)。中間總線架構(gòu)有固定電壓（fixed voltage）IBA,非穩(wěn)壓（unregulated）IBA和準(zhǔn)穩(wěn)壓（Quasi-regulated）IBA幾種架構(gòu)。圖2所示的固定電壓IBA采用單個(gè)隔離磚式電源模塊和很多非隔離負(fù)載點(diǎn)（Pol）DC/DC變換器。Pol可以是電源模塊（如TI公司的PTH系列），也可以是分立的降壓變換器。隔音變換器的輸入電壓范圍（36~75V或18~36V）與第一代相同。它所產(chǎn)生的中間總線電壓穩(wěn)定到3.3V,5V或12V.中間總線電壓選擇取決于系統(tǒng)設(shè)計(jì)師。這種設(shè)計(jì)的好處是：較小的PCB面積、較低的成本和較容易的電壓時(shí)序（由于有自動(dòng)跟蹤特性）。這種電源架構(gòu)使效率降低，每個(gè)電壓需要兩次變換。

圖2 固定電壓中間總線架構(gòu)

　　為了滿足微小區(qū)基站設(shè)計(jì)對(duì)高效率和小占位面積的要求，需增加隔離變換器效率，使其工作在固定占空比和不穩(wěn)壓輸出，這就是非穩(wěn)壓中間總線結(jié)構(gòu)。這種結(jié)構(gòu)采用非穩(wěn)壓總線變換器，其輸出電壓是輸入電壓之比（例如TI公司ALD17 5:1變換器產(chǎn)生的輸出電壓是輸入電壓的五分之一）。用這種技術(shù)設(shè)計(jì)的150W系統(tǒng)的第一變換級(jí)用十六分之一磚式變換器效率可達(dá)96%.這種架構(gòu)的限制是總線變換器的最大輸入電壓范圍是36~55V.Pol的輸入電壓必須小于12V,才能使Pol產(chǎn)生1V或小于1V的輸出電壓。

　　為了滿足一些無線供應(yīng)商堅(jiān)持要保持36~75V傳統(tǒng)寬輸入電壓規(guī)格的要求，電源供應(yīng)商推出準(zhǔn)穩(wěn)壓IBA.這種架構(gòu)與非穩(wěn)壓IBA的主要差別是在輸入電壓超過55~60V范圍，其輸出電壓穩(wěn)定到10V左右。這種架構(gòu)的缺點(diǎn)是隔離電源模塊必須增大尺寸來實(shí)現(xiàn)穩(wěn)壓電路和在55V以上效率降低。

　　分比式電源架構(gòu)

　　分比式電源架構(gòu)（Factorized Power Architecture,FPA）采用3個(gè)靈活的單元來重新規(guī)定每個(gè)變換級(jí)的范圍，使得電源密度和效率都比較高。第1個(gè)單元是總線變換器模塊（BCM），這是1個(gè)窄范圍輸入、非穩(wěn)壓、高效率總線變換器，它采用ZCS-ZVS正弦幅度變換器（SAC）提供隔離和電壓變換。有高電壓（高達(dá)384V）和中電壓（48V）輸入兩個(gè)版本。FPA的第2個(gè)單元是預(yù)調(diào)器模塊（PRM），這是1個(gè)高效率升壓一降壓變換器。FPA的第3個(gè)單元是電壓變換模塊（VTM），它與PRM組合在一起提供低電壓輸出（如需要可低到0.82V）。FPA單元為電源系統(tǒng)設(shè)計(jì)提供更大的靈活性、伸縮性和更高的效率（圖3）。就尺寸而言，工作在3.5MHz有效頻率的SAC,對(duì)于高電源變換在小封裝中采用平面磁性元件，這種結(jié)構(gòu)使功率密度大于1000W/in3.

圖3 FPA系統(tǒng)（效率和尺寸）

　　新一代SoC電源管理

　　APC（先進(jìn)的電源管制器）靠動(dòng)態(tài)或表態(tài)管理電源電壓和漏電流，使SoC（系統(tǒng)芯片）能耗最佳化。采用兩種技術(shù)：DVS（Danamic Voltage Scalling）和AVS（Adaptive Voltage Scalling）來管理SoC電源電壓。APC適用兩個(gè)軟IP版本：APC1和APC2.APC1設(shè)計(jì)用于單SoC;APC2設(shè)計(jì)用更復(fù)雜SoC電源管理架構(gòu)，支持個(gè)并行電壓和時(shí)鐘。APC2在內(nèi)部共享電壓域時(shí)具有控制多個(gè)獨(dú)立時(shí)鐘域的能力，這種能力特別重要，這可允許低功率工作。PWI2.0總線接口可使APC2連接到多個(gè)外設(shè)器件或另外SoC.圖4示出采用APC2的雙域SoC系統(tǒng)架構(gòu)。SoC由兩個(gè)主要邏輯單元（硬件加速器和CPU）組成。在每個(gè)電壓域內(nèi)有1個(gè)用于AVS控制的硬件性能監(jiān)控器（HPM）。時(shí)鐘管理單元為電壓域和HPMs提供時(shí)鐘信號(hào)。APC的4個(gè)主要功能單元示于APC2單元內(nèi)?？刂七壿媶卧峁┲鹘涌冢ˋMBA-APB）、CMU接口和中斷管理服務(wù)。環(huán)路控制器管理AVS模式中的電壓縮放。為DVS支持提供每個(gè)電壓的頻率-電壓表。PWI2.0主機(jī)連接SoC到PMIC和其他外設(shè)。

圖4 采用APC2的雙域SoC系統(tǒng)架構(gòu)

　　電源管理總線

　　電源管理總線PMBus為控制電源變換和管理器件規(guī)定了數(shù)字通信協(xié)議。采用PMBus,根據(jù)標(biāo)準(zhǔn)命令集可以配置、監(jiān)控和操作電源變換器。用PMBus命令，設(shè)計(jì)師可以設(shè)置電源的工作參量、監(jiān)控電源的工作和根據(jù)失效和報(bào)警執(zhí)行正確的測(cè)量。

　　實(shí)現(xiàn)PMBus規(guī)范，要求電源和有關(guān)IC設(shè)計(jì)遵守其所要求的接口命令。SMBus提供主計(jì)算機(jī)或系統(tǒng)管理器與PMBus依從器件之間的串行通信（圖5）。圖5所示系統(tǒng)可以是：通用微控制器，ASIC,系統(tǒng)操作處理器，F(xiàn)PGA中的備用門，自動(dòng)測(cè)試設(shè)備。PMBus器件可以是：Pol模塊，PWM控制器IC,集成FET DC-DC變換器，磚式隔離DC-DC變換器，AC-DC變換器。

　　Part1包括通用要求，這部分也規(guī)定了硬件信號(hào)傳輸和電氣接口以及定時(shí)要求；Part Ⅱ規(guī)定了用在PMBus中命令語言。

　　為了遵守PMBus規(guī)范，器件必須滿足下列條件：

　　器件必須滿足PMBus規(guī)范PartI的所有要求；

　　器件至少支持由PMBus規(guī)范PartⅡ規(guī)定的一個(gè)非制造商專門命令；

　　若器件接受PMBus命令碼，則它必須執(zhí)行PMBus規(guī)范PartⅡ所描述的功能；

　　若器件不能接受給定的PMBus命令碼，則它必須響應(yīng)PMBus規(guī)范PartⅡ所描述的失效管理和報(bào)告；

　　根據(jù)電源應(yīng)用，PMBus器件隨著內(nèi)部或外部編程必須在控制狀態(tài)下起動(dòng)和開始工作。

圖5 PMBus Version 1.1可管理AC-DC和DC-DC電源

　　PMBus協(xié)議覆蓋廣泛的電源系統(tǒng)架構(gòu)和變換器。協(xié)議包括編程電源變換器件失效或報(bào)警的能力。對(duì)于失效條件，可以編程PMBus器件以立即判斷，閉鎖和重試或關(guān)機(jī)前繼續(xù)工作一特定延遲時(shí)間來做出響應(yīng)。

　　PMBus與Power-One的Z-One架構(gòu)（圖6）的主要差別是分配電源管理任務(wù)的方法不同。Z-One分開固件使能DPM（數(shù)字電源管理器和Pol基DPWM（數(shù)字脈寬調(diào)制器）IC之間的電源管理任務(wù)。PMBus要求設(shè)計(jì)師根據(jù)PMBus協(xié)議編程計(jì)算機(jī)，其中很多信息存在系統(tǒng)控制器中。它們之間的另一個(gè)差別是Z-One系統(tǒng)僅僅適合DC-DC變換器工作，而PMBus適合DC-DC和AC-DC變換器。