數字電源管理技術及應用詳解

　　本文介紹了數字電源的基本特點、數字電源相比于模擬電源的優勢和數字電源管理的主要內容，也介紹了數字電源管理技術的應用。

　　新一代集成電路需要3.3V，1.8V甚至更低的電源電壓，單個器件需要多路電壓供電，而且電流的需求很大，電壓也必須以正確的時序加到器件上。為這些器件供電的電壓必須在電路板上（最好在距離這些器件近的地方）產生，以使壓降最小和電壓穩定。高性能的DC/DC轉換器適用于寬范圍輸入，既可作為隔離式電源，也可作為非隔離負載點轉換器。因此，大多數板載電源系統已經采用DC/DC轉換模塊作為供電主體。但是，若缺少了電源管理電路，則無法構建一個完整、健全的電源系統。電源管理的內容包括：電源系統監控、定序和跟蹤、監視和失效保護。電源管理器件在輸入端處理共模抑制、起動限制、起動和關閉的控制，甚至功率因數校正等功能。配置在輸出端的電源管理器件控制啟動定序和輸出電壓調節，并為過欠壓、過流情況提供相應的失效保圖1電源管理器件在隔離型AC/DC電源系統中的應用護。所有相關功能電路均要求與主電路隔離。

　　圖1所示為在隔離型AC/DC變換器中電源管理器件的主要應用。

　　專用的數字電源管理器件比通常采用的模擬電路或微控制器、可編程邏輯器件等方法在成本、開發周期和可靠性方面具有較大優勢。新一代的數字電源管理器件內部集成了能夠滿足實時監控需求的快速ADC，使它能比通用微控制器的片外ADC更快地反映失效。監測數據通過I2C或PMBus總線傳輸給電源主控制器，用以實現精準的調壓設置、故障保護等功能。內部的時鐘可實現故障記錄。對于多路輸出的電源系統，數字電源主控制器實時地通過總線接口從各輸出端的管理器件內讀出各路輸出的監測數據，實現了電源系統的全面監視。一旦軟件設計通過，相同的源文件和配置文件可以用于該設計的所有產品，性能在單元之間是一致的，而模擬電路則會因元件本身差異導致性能不一。

　　傳統的，依靠模擬電路實現電源管理，通過放大器、比較器和RC時間延遲來設置各個參量的電源系統管理電路已經比不上數字化電源管理器件的優越性。隨著設計的深入，元器件不再隨著參量的改變而改變，電路板也不再需要反復重新加工。采用專門的數字電源管理器件，允許通過配置軟件來設置工作參量。設計期間的更改可以很容易地通過軟件實現，不需作硬件的改變。配置軟件只要求設計人員調節少數參量，當所有參數設置完畢后，可以通過I2C端口用編程下載線下載到數字電源管理器件中。圖2為典型的電源管理器件的內部功能單元框圖。

　　圖2電源管理器件的內部功能單元框圖

　　除了專門的電源管理集成電路應用在電源系統的監控上以外，新一代集成電路也在自身的設計上，增加了減小功耗和部分功率管理方面的功能，提供了與數字電源、數字化電源管理器件的通信接口。這已經在較高檔的數字處理器上得到了體現。通過數字處理器和DC/DC變換器、數字電源管理單元之間的通信，處理器可以根據自身當前的處理速度和任務強度自動調節所需的電源電壓。數字電源和功率管理單元內部包含若干寄存器，當處理器所需要的電壓發生變化時，則通過總線接受新的數據來配置相關寄存器，或者在數字電源內部程序的查找表中找到相關設置值。此種方案在功耗要求嚴格的領域正成為主流應用。對于內部各部分供電分開的處理器，可將正處于待命或睡眠狀態的功能單元完全斷電，這將進一步減小功耗，但對于供電管理提出了更高的要求，不僅輸出端口增加，對不同端口的設置和監測將顯著增加數字電源管理單元內程序的復雜程度。處理器內部的硬件性能監視器則可以實現在特定時間內提供最低的供電電壓。監視器的信息直接來源于處理器內部，所以監視系統的閉環完全處在處理器芯片內部，實現了功率管理的SOC設計。