数字电源管理架构的探讨

随着电源技术的发展，数字电源管理技术越来越多地应用于各类系统中。当今的大多数系统除了主要的CPU、逻辑电路FPGA、DDR等数字芯片外，就只剩下电源管理芯片了，因此电源管理芯片的可控性和集成度就显得极为重要了，数字电源管理正是顺应了市场的这种需求。

数字电源管理的几种主要架构

随着电源管理技术的发展，数字电源管理逐步成为业界公认的发展方向，I2C/SMBus物理接口成为通用的标准数字电源管理接口，PMBus协议也成为通用数字电源管理协议。但是在不同的应用阶段和应用环境下，数字电源管理技术也衍化为几种不同的系统架构。

使用集中式的数字电源管理IC+模拟电源产品， 这种架构多见于几年前的设计。由于系统厂商对于电源监测和控制的需要，而数字控制式电源产品的相对稀缺，这种架构暂时可以满足系统设计厂商的需求，从而被广泛应用于各种高性能系统。这种架构的特点就是使用带有电压、电流采样的专用数字IC，对每个分立式的模拟电源的输入输出电压、电流等进行采样然后经过系统分析进行调节或者输出到主控IC。这种架构我们可以称之为集中式数字电源管理架构(图1)。这类方案的代表作为Linear Technology的LTC2978。

图1，集中式数字电源管理架构。

单个电源管理IC集成多路电源轨，系统主控IC通过总线对各个电源轨进行监控。这种系统架构也就是我们通常所说的PMIC架构。这种架构多用于小维型系统，例如手持设备等。这种系统一般情况只需使用单个PMIC来管理整个系统。系统主控IC通过PMIC的I2C/SMBus接口直接管理各个电源轨，达到高效和高集成度的目的。这类产品的代表作有Intersil公司的ISL9305H，这个产品在单个芯片中集成了两路开关稳压器和两路线性稳压器，使用I2C的标准接口与主控IC进行通信，达到高集成度和可控性的目的。

使用带有I2C/SMBus接口的专用数字电源产品，系统主控IC通过总线对各个分立式电源轨进行管理，这种架构的特点是使用通用的数字式电源管理产品，每个系统电源轨通过独有的地址连接到系统总线上，主控IC通过地址对相应的电源轨进行监测和控制。这类产品的代表作有Intersil的Zilker Labs数字电源产品系列(图2)。

图2，分布式数字电源管理架构。

不同数字电源管理架构的特点

第一种架构由于实现比较简单，系统设计者可以保持原有的模拟电源产品不变，只是外加一个专用的数字电源管理IC就可以实现，因而被广泛应用于现有的各种高性能的系统中。但这种架构也有其固有的缺点，由于系统中的各个电源轨分布于系统板的不同位置，管理IC需要单独对每个电源轨进行采样、检测和控制，这样就需要为每个电源轨配置复杂的电压、电流以及温度等监控电路。一方面，模拟电源解决方案本身需要大量的外围电路保证其可靠性，同时外围的监控线路还会增加系统板的布线困难，从而降低系统板的集成度；另一方面，这些监控线路多是小信号线路，抗干扰能力差，很容易受到外部噪声的干扰造成采样错误，从而导致可靠性问题。

第二种架构，由于PMIC产品本身的局限性，虽然其可靠性和功率密度都非常好，但是适应性较差，只适用于某些特定的小微型系统；而大型系统，例如工业控制系统、通信基站系统、高速数据处理系统等应用，由于系统功能复杂，功能模块多，供电模块功率也大得多，电源管理系统比较复杂，PMIC满足不了这类应用。而对于像手机、手持式移动互联网设备这种类似的小微型系统，由于其功能模块相对固定，供电架构就比较单一，PMIC恰恰可以满足这类设备的要求，将系统所需要的所有电源轨集成到单个电源管理IC中，将电源管理方案的集成度提到最高。

第三种架构由于实现简单，控制策略方便易行，同时通过总线对各个分立的电源轨进行控制，外部走线少，可靠性高，抗干扰能力强，因而近年开始被广泛应用于各个高性能及高集成度的系统中。另外传统的高性能电源芯片供应商Intersil、Linear、TI等都有相应的数字电源解决方案，随着其推广力度的加强及出货量的增加，成本也已经降低到了一个合理的范围内，系统设计者开始越来越青睐这种方案了。

而这其中的佼佼者Intersil， 更是将数字电源产品的优点发挥到了极致，极大地推进了分布式数字电源系统的发展。Intersil的Zilker Labs系列数字电源管理控制芯片采用先进的全数字控制模式，将电源解决方案的功率密度做到了业界最高的程度。并且针对分布式电源架构的可靠性要求，给出了多个芯片级解决方案以方便客户配合系统进行优化。

以Intersil数字电源产品的代表芯片ZL6105为例，这款数字电源芯片采用全数字的控