電源管理的一些新方案
英飛凌汽車電子生態(tài)圈
隨著移動電話、筆記本電腦、數(shù)碼相機(jī)、攝錄像機(jī)、MP3播放機(jī)等便攜裝置的迅速發(fā)展，對電源和電源管理提出了更高的要求。電源系統(tǒng)面對：
本文引用地址：http://www.ex-cimer.com/article/80428.htm·系統(tǒng)日益增加的復(fù)雜性；
·需要管理更多電壓、更低電壓以及更寬的輸入電壓范圍；
·系統(tǒng)空間越來越小，功能越來越多，功率越來越高；
·高性價(jià)比要求。
圖1 在PMBus規(guī)范實(shí)現(xiàn)中，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
面對這些嚴(yán)峻的挑戰(zhàn)，制造廠家推出各種解決方案，使得電源和電源管理技術(shù)日新月異，新產(chǎn)品、新結(jié)構(gòu)、新協(xié)議、新解決方案層出不窮。
除便攜裝置所用電源面對嚴(yán)峻挑戰(zhàn)外，計(jì)算機(jī)、通信、工業(yè)、消費(fèi)電子、汽車、儀器儀表等所用電源面對提高電源效率、降低待機(jī)功耗的挑戰(zhàn)。
數(shù)字電源管理
數(shù)字電源控制協(xié)議
控制電源轉(zhuǎn)換和管理器件的數(shù)字通信協(xié)議__新PMBus(電源管理總線)于2005年發(fā)布標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范。一些電源和半導(dǎo)體公司，如Artesyn Technologies 、Astec/Emerson Network Power 、Intersil Corp. 、Microchip Technology 、Summit Microelectronics 、Texas Instruments 、Volterra Semiconductor 、Zilker Labs Inc.等參與此協(xié)議的共同研究。用PMBus，根據(jù)標(biāo)準(zhǔn)命令集可以配置、監(jiān)控和維護(hù)電源轉(zhuǎn)換器。設(shè)計(jì)人員可以用PMBus命令來設(shè)置電源的工作參量、監(jiān)控電源工作和執(zhí)行正確的測量來響應(yīng)失效或工作報(bào)警。僅僅靠重新編程設(shè)置電源輸出電壓性能能使同一硬件提供不同的輸出電壓。PMBus系統(tǒng)的監(jiān)控和維護(hù)性能能夠增強(qiáng)系統(tǒng)的可靠性和可用性。
實(shí)現(xiàn)PMBus規(guī)范需要電源和相關(guān)IC的設(shè)計(jì)要遵從所要求的接口和命令。例如，在實(shí)現(xiàn)PMBus規(guī)范時，SMBus(系統(tǒng)管理總線)提供主計(jì)算機(jī)或系統(tǒng)控制器與PMBus依從器件之間的串行通信(圖1)。在實(shí)現(xiàn)PMBus規(guī)范時，PMBus協(xié)議將使能多源電源管理產(chǎn)品。設(shè)計(jì)人員能夠用標(biāo)準(zhǔn)命令集控制PMBus依從的電源轉(zhuǎn)換器。
數(shù)字電源管理器
Power-One公司的第二代IBA(中間總線結(jié)構(gòu))控制器從模塊變?yōu)閱纹?。單片?shù)字IBA控制器ZM7332可以控制高達(dá)32個數(shù)字POL(負(fù)載點(diǎn))、4個簡單的LDO(低壓降)穩(wěn)壓器、VRM(電壓穩(wěn)壓器模塊)等。在典型的應(yīng)用中，系統(tǒng)中有4組Z-One POL(圖2)，每組由1個或多個POL轉(zhuǎn)換器構(gòu)成。單片DPM(數(shù)字電源管理器)控制器可由用戶編程失效管理配置和規(guī)定容限功能、監(jiān)控、啟動功能以及報(bào)告轉(zhuǎn)換行為。用戶可以通過I2C總線在產(chǎn)品開發(fā)和應(yīng)用期間的任何時間改變可編程的參量。DPM可以觸發(fā)任選的保安電路并為中間總線電壓提供欠壓和過壓保護(hù)。DPM也可以管理模擬POL或LDO以及需要開/關(guān)功能或監(jiān)控的任何事情。每個器件都有1個地址并配置在1個組中。可以編程使能信號的極性和輔助器件的失效數(shù)據(jù)。
數(shù)字電源
TI公司的Fusion Digital PowerTM解決方案把模擬電源管理和數(shù)字信號處理結(jié)合在一起，使電源系統(tǒng)更智能、更可靠，使得數(shù)字控制電源系統(tǒng)以極具競爭力的低成本實(shí)現(xiàn)更高的性能和設(shè)計(jì)靈活性。Fusion Digital PowerTM解決方案包括數(shù)字電源控制器UCD9k、數(shù)字電源PWM控制器UCD8K和數(shù)字電源驅(qū)動器UCD7K。該數(shù)字電源解決方案支持從AC線路到負(fù)載點(diǎn)應(yīng)用的電源系統(tǒng)，包括電信設(shè)備、計(jì)算機(jī)服務(wù)器、數(shù)據(jù)中心電源系統(tǒng)。
圖2 DPM控制器應(yīng)用電路
POL電源模塊
非隔離式插入負(fù)載點(diǎn)電源模塊
TI公司的T2系列非隔離式插入負(fù)載點(diǎn)電源模塊支持4.5V~14V輸入電壓范圍的降壓DC/DC轉(zhuǎn)換，可調(diào)輸出電壓能夠在輸出電流高達(dá)50A時下降至0.7V，非常適合于IBA應(yīng)用。圖3示出T2電源模塊的應(yīng)用電路。T2模塊集成了最新的TurboTransTM技術(shù)和SmartSync功能。創(chuàng)新的TurboTransTM技術(shù)使電源設(shè)計(jì)人員利用單個外部電阻器就可動態(tài)地“調(diào)節(jié)”模塊，從而滿足特定的瞬態(tài)負(fù)載要求。此技術(shù)能大幅度降低所需電容，使輸出電容降低5~8倍。從而節(jié)省電容成本和PCB空間。最終可加快瞬態(tài)響應(yīng)，使輸出電壓偏移降低40%。T2電源模塊的SmartSync功能使電源設(shè)計(jì)人員能將多個T2電源模塊的開關(guān)頻率同步到特定的頻率。因此，設(shè)計(jì)人員可以將電源模塊同步到能使效率最大化和功耗最小化的頻率。由于解決了同步問題，就能夠消除差頻，同步化的電源模塊更易于實(shí)現(xiàn)EMI濾波，從而滿足對噪聲敏感的RF系統(tǒng)的輻射要求。也可以在不同的相位角同步電源模塊，降低POL輸入電容。T2電源模塊還具有DSP要求的1.5% DC容差、Auto-TrackTM排序技術(shù)、預(yù)偏置啟動、差分遠(yuǎn)程感測、開/關(guān)機(jī)控制、過濾保護(hù)、過溫保護(hù)、欠壓鎖定等特性。
圖3 非隔離式插入負(fù)載點(diǎn)電源模塊應(yīng)用電路
DC/DC微型電源模塊
Linear公司的微型10A POL降壓穩(wěn)壓器模塊在15mm×15mm×2.8mm LGA封裝中包含板上電感器、板上功率MOSFET、板上DC/DC控制器和MOSFET驅(qū)動器、板上補(bǔ)償電路。用它構(gòu)成POL穩(wěn)壓器僅需輸入和輸出電容器(圖4)。圖4中LTM4600EV轉(zhuǎn)換器的輸入電壓圖6 PFC設(shè)計(jì)和OCC方案。
范圍4.5V~20V (LTM4600HVEV最大輸入電壓可達(dá)28V)，輸出電壓范圍0.6V~5V(由1個電阻器設(shè)置)，典型開關(guān)頻率800KHz(滿載)，它包含過壓和短路保護(hù)以及通過小電容器可調(diào)的內(nèi)置軟啟動定時器。
圖4 微型10A POL模塊應(yīng)用電路
圖5 分布電源新拓?fù)?br />
圖6 PFC設(shè)計(jì)和OCC方案
分布電源新拓?fù)?/strong>
Vicor公司的FPA(分比式電源架構(gòu))在負(fù)載點(diǎn)采用隔離電壓轉(zhuǎn)換模塊(VTM)，由前置穩(wěn)壓器模塊(PRM)提供穩(wěn)壓(見圖5)。
電源轉(zhuǎn)換拓?fù)湟话悴捎妹}寬調(diào)制(PWM)轉(zhuǎn)換器。一種新的電源轉(zhuǎn)換拓?fù)涫钦曳绒D(zhuǎn)換器(SAC)。SAC把零電流開關(guān)(ZCS)/零電壓開關(guān)(ZVS)轉(zhuǎn)換器和PWM轉(zhuǎn)換器的優(yōu)點(diǎn)結(jié)合在一起。SAC與PWM轉(zhuǎn)換器的性能比較示于表1。SAC開關(guān)頻率高達(dá)3.5MHz，這可減小電抗元件的大小。不像一些非隔離轉(zhuǎn)換器那樣，交錯多相位來產(chǎn)生1個高有效頻率，SAC工作在1個有效的單相頻率，這使復(fù)雜性大大地降低。
ZCS/ZVS大大降低了開關(guān)損耗，SAC在100%占空比處理功率，不需要串行能量存儲在轉(zhuǎn)換器的輸出，這進(jìn)一步減小了元件尺寸，并改善了瞬態(tài)響應(yīng)。
改善功率因數(shù)校正的新技術(shù)
交流電源設(shè)備必須遵從有關(guān)規(guī)定的總諧波失真(THD)最大限制，這意味著實(shí)現(xiàn)功率因數(shù)校正(PFC)已成為電源設(shè)計(jì)的1個關(guān)鍵因素。在低功率系統(tǒng)(200W~300W)，開關(guān)電源慣用的控制方法是非連續(xù)電流模式(DCM)技術(shù)，在這種方法中開關(guān)周期每部分電感器電流降到零。DCM方案的優(yōu)點(diǎn)是簡單和經(jīng)濟(jì)。但是，隨著功率的增加，需要較大的EMI濾波器、效率會降低而且需要較大的FET和散熱器。基于此原因，較高功率系統(tǒng)采用連續(xù)電流模式(CCM)技術(shù)，而不管這會導(dǎo)致較多的元件、電路復(fù)雜以及尺寸和系統(tǒng)成本增加。
PFC設(shè)計(jì)的新方法是OCC(One-Cycle Control)。OCC方案在功率75W~4KW額定范圍內(nèi)能提供一般CCM技術(shù)的所有好處，并具有較低的成本和復(fù)雜性。新的OCC方案與傳統(tǒng)乘法基CCM系統(tǒng)的差別是OCC不需要AC線感測。從DC總線電壓和返回電流得到校正電流波形和使功率因數(shù)最大所需的所有信息。OCC系統(tǒng)處理這些信息來驅(qū)動PFC開關(guān)的占空比。OCC電路(圖6)不需要模擬乘法器、輸入電壓感測、固定振蕩器斜波。在OCC電路中，在1個開關(guān)周期內(nèi)積分誤差放大器的輸出來產(chǎn)生1個可變斜率斜波，然后與誤差電壓進(jìn)行比較，產(chǎn)生PWM柵極驅(qū)動信號。這種控制方法比傳統(tǒng)的乘法基技術(shù)所需電阻器少40%、電容器少50%(對典型1KW系統(tǒng)而言)。對于PFC，OCC簡化了控制技術(shù)而又能提供像傳統(tǒng)乘法器基那樣的高性能?，F(xiàn)在，把OCC功能集成到高性能IC中，IR公司已為75W~4KW功率額定值應(yīng)用開發(fā)出單芯片方案，這就是mPFC的新IR1150家族。
結(jié)語
電源管理是當(dāng)今熱門的電子技術(shù)。有關(guān)電源管理的協(xié)議、新產(chǎn)品、新拓?fù)洹⑿陆鉀Q方案(如數(shù)字電源控制協(xié)議PMBus，單片數(shù)字電源管理器和數(shù)字電源，微型和大電流POL電源模塊，分布電源FPA拓?fù)?，SAC轉(zhuǎn)換器，PFC設(shè)計(jì)的OCC方案等)層出不窮。預(yù)計(jì)未來5年，電源管理全球市場年增長率15%以上。
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