適用于所有場合的數(shù)字電源系統(tǒng)管理

摘要：本文介紹了一種適用于所場合的數(shù)字電源系統(tǒng)管理，分析了數(shù)據(jù)通信、電信或存儲系統(tǒng)使用數(shù)據(jù)電源管理功能，可以使電源系統(tǒng)在負載點、電路板、機架甚至安裝后以最低能耗滿足目標性能要求。

引言

　　嵌入式系統(tǒng)、網(wǎng)絡(luò)和數(shù)據(jù)通信設(shè)備的系統(tǒng)設(shè)計師一直在被迫提高數(shù)據(jù)吞吐量和系統(tǒng)性能以及增加各種功能。同時，他們也面臨著降低系統(tǒng)總體功耗的壓力。例如，在數(shù)據(jù)中心中面臨的挑戰(zhàn)是，通過重新安排工作流程，將作業(yè)轉(zhuǎn)移到未得到充分利用的服務(wù)器上，使其他服務(wù)器能夠停機，以此來降低總體功耗。不過，為了滿足這些要求，有必要了解最終用戶設(shè)備的功耗。為了實現(xiàn)這個目標，可以采用恰當設(shè)計的數(shù)字電源管理系統(tǒng)，這種系統(tǒng)能夠為用戶提供功耗數(shù)據(jù)，方便做出明智的能源管理決策。

　　大多數(shù)嵌入式系統(tǒng)通過 48V 背板供電。這個電壓通常被降至更低的中間總線電壓，一般為 12V，然后再進一步降至 3.3V，以給系統(tǒng)中電路板供電。不過，這些電路板上的大多數(shù)子電路或 IC 需要以不到 1V 至 3V 的電壓以及數(shù)十毫安至數(shù)百安培的電流工作。結(jié)果，負載點 (PoL) DC/DC 轉(zhuǎn)換器有必要將這一中間總線電壓降至子電路或 IC 所要求的電壓。而且，使問題更加復(fù)雜的是，這些電壓軌對排序、電壓準確度、裕度調(diào)節(jié)以及監(jiān)察有嚴格要求。

　　既然在數(shù)據(jù)通信、電信或存儲系統(tǒng)中可能有超過 50 個 PoL 電壓軌，那么系統(tǒng)設(shè)計師就需要一種簡單的方法來管理這些軌的輸出電壓、排序以及可允許的最大電流。某些處理器要求其輸入/輸出 (I/O) 電壓在內(nèi)核電壓之前上升，而某些 DSP 則要求其內(nèi)核電壓在 I/O 電壓之前上升。使問題更加復(fù)雜的是，斷電排序也是必要的。因此，設(shè)計師們需要一種簡單的方法來更改系統(tǒng)，以針對每一個 DC/DC 轉(zhuǎn)換器優(yōu)化系統(tǒng)性能和存儲特定配置值，進而從總體上簡化設(shè)計工作。

　　此外，為了針對可能出現(xiàn)過壓情況保護昂貴的 ASIC，高速比較器必須監(jiān)視每個軌的電壓值，而且在某個軌超出其規(guī)定的安全工作限度時立即采取保護行動。在數(shù)字電源系統(tǒng)中，如果發(fā)生故障，可以通過 PMBus 報警線路通知主機，而且可以關(guān)斷從屬軌，以保護 ASIC 等接受供電的器件。實現(xiàn)這種級別的保護需要合理的準確度和數(shù)十微秒量級的響應(yīng)時間。

　　出于這些原因，數(shù)字電源轉(zhuǎn)換 IC 需要提供高度準確的數(shù)字電源系統(tǒng)管理以及高分辨率可編程性和快速遙測回讀，以實時控制和監(jiān)視關(guān)鍵負載點轉(zhuǎn)換器功能。這些 IC 必須通過基于 I2C 的 PMBus 接口、以超過 100 條命令提供高效率同步降壓型轉(zhuǎn)換，還必須有內(nèi)置 EEPROM。這些器件必須兼有一流的模擬開關(guān)穩(wěn)壓器控制器和精確的混合信號數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換功能，以實現(xiàn)無比簡便的電源系統(tǒng)設(shè)計和管理。最后，還有一個迫切解決的問題，必須有具備易用圖形用戶界面 (GUI) 的軟件開發(fā)系統(tǒng)支持這些器件。

1 更小就是更快

　　模擬電源進步常常是由所開發(fā)的電路概念導(dǎo)致的。這類進步很少超出制造商范疇，最終幾乎不會進入多家公司的多種產(chǎn)品。這與數(shù)字工藝技術(shù)的進步不同，數(shù)字工藝技術(shù)的進步往往會在整個行業(yè)內(nèi)快速普及。隨著時間推移得到普及的模擬 IC 設(shè)計概念包括斬波器穩(wěn)定型放大器、增量累加 A/D 轉(zhuǎn)換器、突發(fā)模式 (BurstMode?) 穩(wěn)壓器、帶隙基準以及 3 終端穩(wěn)壓器。然而，以不同工藝技術(shù)實現(xiàn)復(fù)雜功能的知識依然在不斷增多。這些知識使得每年都能夠產(chǎn)生功能進一步增強的混合信號 IC。

　　數(shù)字 IC 線寬越來越小也對模擬 IC 產(chǎn)生了影響。這些工藝技術(shù)的速度不斷加快，并提高了基于這些工藝技術(shù)制造的模擬 IC 的速度。模數(shù) (A/D) 轉(zhuǎn)換器就是一個很好的例子，線寬減小已經(jīng)導(dǎo)致產(chǎn)生了更快的 A/D 轉(zhuǎn)換器。電路的進步提高了分辨率和速度，最新器件以 16 位分辨率提供 200Mbps 的轉(zhuǎn)換率。隨著人們開發(fā)出速度越來越快、準確度越來越高的工藝技術(shù)，我們有理由認為，新器件將會繼續(xù)提高速度和精確度。