适用于所有场合的数字电源系统管理

本文作者：

Tony Armstrong

凌力尔特公司 电源产品部 产品市场总监

引言

嵌入式系统、网络和数据通信设备的系统设计师一直在被迫提高数据吞吐量和系统性能以及增加各种功能。同时，他们也面临着降低系统总体功耗的压力。例如，在数据中心中面临的挑战是，通过重新安排工作流程，将作业转移到未得到充分利用的服务器上，使其他服务器能够停机，以此来降低总体功耗。不过，为了满足这些要求，有必要了解最终用户设备的功耗。为了实现这个目标，可以采用恰当设计的数字电源管理系统，这种系统能够为用户提供功耗数据，方便做出明智的能源管理决策。

为了更好地理解这个概念，考虑一下实际的嵌入式系统例子。大多数嵌入式系统通过 48V 背板供电。这个电压通常被降至更低的中间总线电压，一般为 12V，然后再进一步降至 3.3V，以给系统中一架一架的电路板供电。不过，这些电路板上的大多数子电路或 IC 需要以不到 1V 至 3V 的电压以及数十毫安至数百安培的电流工作。结果，负载点 (PoL) DC/DC 转换器有必要将这一中间总线电压降至子电路或 IC 所要求的电压。而且，使问题更加复杂的是，这些电压轨对排序、电压准确度、裕度调节以及监察有严格要求。

既然在数据通信、电信或存储系统中可能有超过 50 个 PoL 电压轨，那么系统设计师就需要一种简单的方法来管理这些轨的输出电压、排序以及可允许的最大电流。某些处理器要求其输入/输出 (I/O) 电压在内核电压之前上升，而某些 DSP 则要求其内核电压在 I/O 电压之前上升。使问题更加复杂的是，断电排序也是必要的。因此，设计师们需要一种简单的方法来更改系统，以针对每一个 DC/DC 转换器优化系统性能和存储特定配置值，进而从总体上简化设计工作。

此外，为了针对可能出现的过压情况保护昂贵的 ASIC，高速比较器必须监视每个轨的电压值，而且在某个轨超出其规定的安全工作限度时立即采取保护行动。在数字电源系统中，如果发生故障，可以通过 PMBus 报警线路通知主机，而且可以关断从属轨，以保护 ASIC 等接受供电的器件。实现这种级别的保护需要合理的准确度和数十微妙量级的响应时间。

出于这些原因，数字电源转换 IC 需要提供高度准确的数字电源系统管理以及高分辨率可编程性和快速遥测回读，以实时控制和监视关键负载点转换器功能。这些 IC 必须通过基于  I2C 的 PMBus 接口、以超过 100 条命令提供高效率同步降压型转换，还必须有内置 EEPROM。这些器件必须兼有一流的模拟开关稳压器控制器和精确的混合信号数据转换功能，以实现无比简便的电源系统设计和管理。最后，还有一个迫切解决的问题，必须有具备易用图形用户界面 (GUI) 的软件开发系统支持这些器件。

更小就是更快

模拟电源进步常常是由所开发的电路概念导致的。这类进步很少超出制造商范畴，最终几乎不会进入多家公司的多种产品。这与数字工艺技术的进步不同，数字工艺技术的进步往往会在整个行业内快速普及。随着时间推移得到普及的模拟 IC 设计概念包括斩波器稳定型放大器、增量累加 A/D 转换器、突发模式 (BurstMode®) 稳压器、带隙基准以及 3 终端稳压器。然而，以不同工艺技术实现复杂功能的知识依然在不断增多。这些知识使得每年都能够产生功能进一步增强的混合信号 IC。

数字 IC 线宽越来越小也对模拟 IC 产生了影响。这些工艺技术的速度不断加快，并提高了基于这些工艺技术制造的模拟 IC 的速度。模数 (A/D) 转换器就是一个很好的例子，线宽减小已经导致产生了更快的 A/D 转换器。电路的进步提高了分辨率和速度，最新器件以 16 位分辨率提供 200Mbps 的转换率。随着人们开发出速度越来越快、准确度越来越高的工艺技术，我们有理由认为，新器件将会继续提高速度和精确度。

这些更小的线宽使一些数字功能得以实现，而以前在模拟 IC 上是不可行的。具电压、电流和状态信息数字回读的电源控制器在提供电源功能的同一个芯片上实现了。线宽减小的一个附带好处是，使用典型的小型数字工艺制造 IC 时，可以将 DMOS 晶体管包括进来。这些 DMOS 器件可