靈活高效的數(shù)字解決方案滿(mǎn)足新興電源管理需求

然而，如今對(duì)高效、可靠的電源管理的需求正以比摩爾定律的發(fā)展速度快得多的速率迅猛增長(zhǎng)。面向計(jì)算和通信應(yīng)用的主要處理器件包含了數(shù)十億個(gè)晶體管，這些器件對(duì)電源的要求更加精確和復(fù)雜。

在數(shù)據(jù)通信領(lǐng)域，出現(xiàn)了采用36至40個(gè)電壓軌的電路板。在計(jì)算應(yīng)用中，主板常常利用超過(guò)20個(gè)電壓軌為各種ASIC、存儲(chǔ)器和處理器芯片組提供電源。這種復(fù)雜度要求對(duì)多種不同的參數(shù)進(jìn)行精密的診斷、控制和監(jiān)視，而這是模擬PWM力所不及的。典型的解決辦法是添加一個(gè)單獨(dú)的微控制器，但這會(huì)大幅提高系統(tǒng)成本和設(shè)計(jì)復(fù)雜度，同時(shí)還會(huì)占用日趨小巧的電路板上的寶貴空間。

系統(tǒng)效率

精密控制必然引起另一個(gè)問(wèn)題：系統(tǒng)效率。諸如與日俱增的燃料成本和環(huán)境壓力等外部因素，進(jìn)一步突出了效率的重要性。

計(jì)算應(yīng)用進(jìn)行數(shù)據(jù)處理所耗用的電力不足其總功耗的50%，散熱和系統(tǒng)損耗等浪費(fèi)了大部分電源。最終結(jié)果是，浪費(fèi)的每瓦電力都提高了應(yīng)用的總占有成本，增加了全球能源消耗。如果不能測(cè)量和診斷系統(tǒng)，就幾乎不可能實(shí)時(shí)提高效率。典型的模擬電源解決方案是一個(gè)黑匣子，不提供任何診斷信息。

面對(duì)日益加劇的價(jià)格壓力，設(shè)計(jì)師越來(lái)越多地尋求不是通過(guò)獨(dú)立微處理器執(zhí)行電源診斷，而是整合了該功能的電源解決方案。他們希望利用經(jīng)濟(jì)高效的解決方案來(lái)監(jiān)視芯片的電流、電壓、溫度和功率效率。系統(tǒng)設(shè)計(jì)師希望其電源能夠針對(duì)每個(gè)電壓軌，提供故障報(bào)告，與PWM控制器進(jìn)行I2C通信以及靈活編程個(gè)性化參數(shù)。

這一切導(dǎo)致了一個(gè)簡(jiǎn)單結(jié)論：市場(chǎng)發(fā)展動(dòng)力和客戶(hù)需求意味著模擬解決方案的摩爾定律進(jìn)步速度滯后于當(dāng)前的客戶(hù)需求。滿(mǎn)足當(dāng)前需求的唯一途徑是轉(zhuǎn)向數(shù)字電源解決方案(圖1)。

圖1. 電源管理控制器框圖滿(mǎn)足了當(dāng)前對(duì)轉(zhuǎn)向數(shù)字電源解決方案的需求。

有些市場(chǎng)已經(jīng)開(kāi)始了從模擬到數(shù)字的過(guò)渡。例如，要滿(mǎn)足服務(wù)器和高端顯卡對(duì)電源的復(fù)雜要求，就必須采用數(shù)字電源。其他市場(chǎng)也在逐步轉(zhuǎn)變。起初，這個(gè)決定只是簡(jiǎn)單地出于成本考慮。模擬PWM非常成熟、歷經(jīng)檢驗(yàn)并且價(jià)格低廉。改用數(shù)字解決方案會(huì)增加系統(tǒng)的總成本。但是現(xiàn)在，成本等式已經(jīng)改變?？紤]到系統(tǒng)智能、故障處理和其他可編程特性，到頭來(lái)模擬解決方案的成本反而高于數(shù)字解決方案。對(duì)于像數(shù)字通信這樣的市場(chǎng)，模擬解決方案及其所需的額外芯片也不能滿(mǎn)足其空間要求。

數(shù)字解決方案

同許多新技術(shù)一樣，轉(zhuǎn)變都會(huì)遇到抵觸。這種抵觸是人之常情，抵觸的力量會(huì)隨著時(shí)間的流逝而減弱。不幸的是，除這種對(duì)轉(zhuǎn)變自然而然的抵觸之外，還有兩個(gè)主要的誤解困擾著數(shù)字電源解決方案。

第一個(gè)誤解，圍繞著成本問(wèn)題。當(dāng)開(kāi)發(fā)人員權(quán)衡他們的選項(xiàng)，意識(shí)到現(xiàn)在用與模擬解決方案相同的成本就能實(shí)現(xiàn)數(shù)字電源管理的所有益處時(shí)，這個(gè)誤解就會(huì)迎刃而解。

第二個(gè)誤解更加惱人，這也是廣泛采用數(shù)字電源解決方案所面臨的最嚴(yán)峻的障礙。這個(gè)誤解認(rèn)為，數(shù)字解決方案如此復(fù)雜，因此，為特定應(yīng)用進(jìn)行定制需要進(jìn)行大量培訓(xùn)，并且設(shè)計(jì)周期很長(zhǎng)?；ù罅繒r(shí)間進(jìn)行設(shè)計(jì)是否值得？可能有人認(rèn)為值得，不過(guò)，幸運(yùn)的是，設(shè)計(jì)師不必做出這個(gè)選擇。新近問(wèn)世的數(shù)字電源管理解決方案讓設(shè)計(jì)師感覺(jué)不到其復(fù)雜性。

就像PC用戶(hù)在使用應(yīng)用程序時(shí)不需要知道其底層的代碼，電源設(shè)計(jì)師在利用數(shù)字電源解決方案時(shí)也不需要了解其編程。這促進(jìn)了這項(xiàng)技術(shù)的推廣。

先期應(yīng)用者往往是熱衷于一探究竟的技術(shù)專(zhuān)家。然而，要得到普遍采用，必須通過(guò)更好、更直觀的用戶(hù)界面，隱蔽其復(fù)雜性。最新一代數(shù)字電源IC為數(shù)字電源解決方案帶來(lái)了希望。它可以與負(fù)責(zé)在電源管理的主板級(jí)和機(jī)架級(jí)協(xié)調(diào)電源的處理器、ASIC和微處理器進(jìn)行雙向通信(圖2)。

圖2. 最新一代數(shù)字電源IC可以與負(fù)責(zé)協(xié)調(diào)電源的處理器、ASIC和微處理器進(jìn)行雙向通信。

將模擬信息數(shù)字化之后，可以對(duì)每一條信息進(jìn)行乘、除、加運(yùn)算、傳輸、補(bǔ)償、過(guò)濾以及存儲(chǔ)。由于數(shù)字算法決定了整個(gè)芯片的技術(shù)規(guī)格和性能，因此，這些數(shù)字電源IC還可以實(shí)現(xiàn)非線(xiàn)性和異步算法，以改善瞬態(tài)性能。

全部數(shù)據(jù)都已數(shù)字化，因此，很容易通過(guò)I2C總線(xiàn)傳輸這些信息。此外，這項(xiàng)技術(shù)也可以輕松適應(yīng)未來(lái)的高速通信總線(xiàn)，實(shí)現(xiàn)高達(dá)33MHz或66MHz的總線(xiàn)速率。得益于這些架構(gòu)性功能，能夠滿(mǎn)足復(fù)雜的系統(tǒng)要求的數(shù)字電源IC將在今后十年大顯身手。

圖形化用戶(hù)界面

數(shù)字電源IC解決方案也為系統(tǒng)設(shè)計(jì)師提供了靈活性。利用軟件，可以全面設(shè)置電源設(shè)計(jì)的補(bǔ)償、設(shè)置點(diǎn)、OCP電平、OVP電平和所有主要參數(shù)。通過(guò)一個(gè)直觀的圖形化用戶(hù)界面(GUI)，設(shè)計(jì)師可以?xún)?yōu)化特定設(shè)計(jì)的輸出電容和電感，而不必更換電路板上的電阻器或電容器。電源解決方案的設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)無(wú)需更換分立式元件。最終的結(jié)果是不僅提高了系統(tǒng)靈活性，而且也縮短了最終產(chǎn)品的上市時(shí)間。

此外，產(chǎn)品一經(jīng)部署，就可以實(shí)現(xiàn)元件老化和溫度漂移校準(zhǔn)。在數(shù)字電源IC中，可以針對(duì)每一條電壓軌進(jìn)行單獨(dú)設(shè)計(jì)和編程?？梢暂p松地將數(shù)字電源IC實(shí)現(xiàn)為多個(gè)相位，并且與各相位的同步時(shí)間并行運(yùn)行，這樣就能降低EMI干擾信號(hào)，以便輕松過(guò)濾。降低了rms輸入電流，減少了所需的輸入電容。同樣地，是通過(guò)軟件而不是硬件，實(shí)現(xiàn)了靈活性和定制設(shè)計(jì)。

實(shí)現(xiàn)上述所有特性的關(guān)鍵是直觀的圖形化用戶(hù)界面(GUI)?，F(xiàn)在，即使不熟悉數(shù)字電源管理的設(shè)計(jì)師也能按照屏幕顯示的各種選擇，一步一步輕松編程輸出電壓、電流、故障、回路補(bǔ)償?shù)腜ID系數(shù)以及其他主要功能。

設(shè)計(jì)師可以編程主板上的各個(gè)電壓軌，單獨(dú)設(shè)置每個(gè)電壓軌的定時(shí)、跟蹤、上升時(shí)間和可編程延遲。這樣，數(shù)字電源IC不僅可以實(shí)現(xiàn)PWM控制，而且可以對(duì)具備多個(gè)電壓軌的電路板進(jìn)行全面的電源管理，并與系統(tǒng)進(jìn)行實(shí)時(shí)通信。

提供圖形化用戶(hù)界面(GUI)看起來(lái)微不足道，但其實(shí)有重要意義。就像更好的用戶(hù)界面促進(jìn)了Linux系統(tǒng)的推廣，直觀的圖形化用戶(hù)界面(GUI)也縮短了數(shù)字電源管理解決方案的設(shè)計(jì)時(shí)間，消除了設(shè)計(jì)師在這方面的成本顧慮。數(shù)字電源IC不僅是當(dāng)今的芯片技術(shù)提供的先進(jìn)解決方案，同時(shí)也是最經(jīng)濟(jì)劃算的解決方案。