- 數(shù)字可配置性為生命周期帶來益處
- PMBus™ 是一種關(guān)鍵的業(yè)務(wù)引擎
- 數(shù)字電路實(shí)施電源轉(zhuǎn)換器內(nèi)部控制環(huán)路
- 監(jiān)測和控制數(shù)字式輸入/輸出電路
經(jīng)過數(shù)十年的孕育，數(shù)字電源控制技術(shù)與模擬電源控制技術(shù)相形之下的優(yōu)勢，得到越來越多的設(shè)計師們的青睞，因此該技術(shù)正迅速占領(lǐng)市場份額。盡管如今的經(jīng)濟(jì)形勢更具不確定性，但2009年8月，電源行業(yè)的分析師依然預(yù)測數(shù)字電源在今后五年將獲得近20%的復(fù)合年增長率，而且這一數(shù)字從某種程度上還是算悲觀的——12個月前同樣一群分析師們曾認(rèn)為45%的增長率更為確切。撇開預(yù)測的準(zhǔn)確性不說，任何技術(shù)要想獲得快速認(rèn)可和可持續(xù)發(fā)展，關(guān)鍵在于以有競爭力的成本交付實(shí)實(shí)在在的益處。
許多設(shè)計師都已經(jīng)發(fā)現(xiàn)，數(shù)字電源控制和數(shù)字電源管理的結(jié)合，代表了整體能力上真實(shí)、性價比高的階躍變化，超出了人們對常規(guī)演化的預(yù)料。這里，數(shù)字電源控制指的是通過數(shù)字電路而非熟悉的模擬電路來實(shí)施電源轉(zhuǎn)換器的內(nèi)部控制環(huán)路。對于一個簡單的buck轉(zhuǎn)換器來說，這意味著用模擬轉(zhuǎn)數(shù)字轉(zhuǎn)換器來替代傳統(tǒng)誤差反饋信號放大器，同時對使用數(shù)字信號處理技術(shù)推動電源開關(guān)的脈寬調(diào)制器進(jìn)行糾正，從而取代電壓基準(zhǔn)、斜坡發(fā)生器和比較器。——圖1
圖1 帶有顯示部分器件的功率傳遞的模擬和數(shù)字控制系統(tǒng)的比較框圖
相比之下，數(shù)字電源管理意味著對通過數(shù)字式輸入/輸出電路來聯(lián)通的電路進(jìn)行監(jiān)測和控制，而這種電路如今幾乎一直使用業(yè)已成為電源行業(yè)規(guī)范的PMBus™接口。結(jié)合了這兩種數(shù)字電源概念的轉(zhuǎn)換器可以主動地管理其轉(zhuǎn)換過程，從而在轉(zhuǎn)換線路和負(fù)載條件變化的時候優(yōu)化效率，同時將所有電源管理系統(tǒng)都納入同一封裝——圖2。
圖2 數(shù)字控制的，符合輸入/輸出PMBus接口標(biāo)準(zhǔn)的高級中間母線轉(zhuǎn)換器BMR453
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數(shù)字可配置性為生命周期帶來益處
然而數(shù)字電源不只改善電氣性能和功率密度要求等曾主導(dǎo)了電源設(shè)計師們思維的因素?；旧?，這種性能之所以得以改進(jìn)，就是因?yàn)閿?shù)字控制環(huán)路能夠調(diào)整其動態(tài)、從而以最佳狀態(tài)適應(yīng)實(shí)時的線路和負(fù)載條件；相比之下，無源元器件設(shè)定了一個模擬轉(zhuǎn)換器的響應(yīng)，這些響應(yīng)無可避免地成為穩(wěn)定性和對于其操作條件的動態(tài)響應(yīng)之間的折中。但是在開發(fā)其“3E”概念，即重視性能、能源管理和最終用戶價值的同時，愛立信認(rèn)識到，數(shù)字電源帶來的益處可貫穿產(chǎn)品的生命周期。
由于數(shù)字轉(zhuǎn)換器的核心是一種混合信號的IC，所以可以以微不足道的額外成本，將監(jiān)測和控制硬件連同其PMBus接口封裝在同一片芯片上。這種方式優(yōu)化了轉(zhuǎn)換器核心與其控制系統(tǒng)之間的電耦合，減少了功率損耗，并通過基于模擬技術(shù)的解決方案，大幅度縮減了PCB為容納等效功能設(shè)計而必要的空間——圖3。非常重要的是，現(xiàn)在，當(dāng)數(shù)字轉(zhuǎn)換器最初制成時、在電源系統(tǒng)設(shè)計師應(yīng)用程序的開發(fā)階段、在分銷商的倉庫、當(dāng)設(shè)備被生產(chǎn)出來時，以及/或者當(dāng)它在最終用戶的設(shè)備中運(yùn)行時，就可以對數(shù)字轉(zhuǎn)換器進(jìn)行配置了。這種無可媲美的靈活度，使得可編程的邏輯模型第一次得以延伸到電源轉(zhuǎn)換器行業(yè)。
圖3 高度集成的功能性節(jié)約了電路板空間，提高了效率和可靠性
每一個3E家族電源轉(zhuǎn)換器都提供一系列可編程參數(shù)，包括進(jìn)行輸出電壓值選定、打開/關(guān)閉延遲時間從而為多路負(fù)載進(jìn)行上電時序控制、通過對上電斜率的控制以提供浪涌電流保護(hù)、為系統(tǒng)測試提供電壓裕量，以及關(guān)于過流、過溫、過/欠壓等告警和故障情況的多重回差值設(shè)定。甚至可以通過調(diào)節(jié)數(shù)字轉(zhuǎn)換器控制環(huán)路的響應(yīng)來優(yōu)化特定負(fù)載和輸出電容條件下數(shù)字轉(zhuǎn)換器的性能。圖 4 顯示了微調(diào)一些常量的結(jié)果，這些常量設(shè)定了3E負(fù)載點(diǎn)調(diào)節(jié)器的控制環(huán)路響應(yīng)，從而優(yōu)化既定環(huán)境中的瞬態(tài)響應(yīng)。這是通過持續(xù)調(diào)節(jié)反饋環(huán)回內(nèi)的模擬轉(zhuǎn)換器電阻和電容的值，從而用數(shù)字方式在該模擬轉(zhuǎn)換器上移動極點(diǎn)和零點(diǎn)——在實(shí)際操作中這是難以想象的。
圖4 通過重新編程數(shù)字電源轉(zhuǎn)換器的控制環(huán)路常數(shù)，可以優(yōu)化它在既定操作環(huán)境下的動態(tài)性能
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PMBus™ 是一種關(guān)鍵的業(yè)務(wù)引擎
在產(chǎn)品評估和開發(fā)階段，PMBus可能是無價之寶。這里，控制兼容PMBus接口的單板電源管理器可能是一臺通過合適的適配器連接到原型電路板的個人電腦。由于PMBus的物理層依賴于SMBus（這是基于I2C總線而開發(fā)的），因此PMBus通常局限于電路板區(qū)域，讓設(shè)計師們可以自由選擇背板連接性。圖 5 顯示了大概的電路圖。
圖5 PMBus可以方便得對兼容的電源系統(tǒng)器件進(jìn)行監(jiān)測和控制，例如3E產(chǎn)品家族
為了能讓開發(fā)的產(chǎn)品能馬上使用，愛立信開發(fā)了一種與個人電腦兼容的3E產(chǎn)品評估套件，其中包括USB到PMBus 適配器和驅(qū)動軟件，它們?nèi)〈藞D中的板級電源管理器。個人電腦和套件應(yīng)用程序隨后就充當(dāng)系統(tǒng)主機(jī)和用戶界面的角色。這樣就可以通過極為迅速的方式對輸出電壓設(shè)置、上電時序設(shè)定、電壓容限以及故障處理等參數(shù)進(jìn)行試驗(yàn)，而不需要對接受檢測的電路板進(jìn)行硬件更換。如果設(shè)計師對設(shè)置滿意，應(yīng)用軟件就可以為每一個3E產(chǎn)品保存一份配置文件，留作日后使用。圖 6顯示了軟件在單個裝置配置屏幕上展示的部分選項(xiàng)。
圖6 3E圖形用戶界面軟件極大地簡化了產(chǎn)品的參數(shù)配置
雖然客戶可能對具體配置有要求，但愛立信大多數(shù)情況下通常交付的是3E元件，這些都是通過體現(xiàn)轉(zhuǎn)換器典型應(yīng)用綱要的缺省配置來預(yù)先編程的。舉例來說，用戶可能會訂購一個負(fù)載點(diǎn)調(diào)節(jié)器，例如額定20A的BMR450，預(yù)先設(shè)定為1.0、 3.3、5.0或5.5 VDC——圖 7。
圖7 20A符合輸入/輸出PMBus，并采用數(shù)字控制的負(fù)載點(diǎn)BMR450
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接下來就可以通過PMBus對該裝置進(jìn)行重新編程，從而達(dá)到0.6到5.5VDC級別，分辨率為1Mv（同樣可以通過一個電阻在25步長的范圍內(nèi)將產(chǎn)品的輸出電壓設(shè)置在0.7到5.0VDC范圍之間）。這樣一來，一個產(chǎn)品就能覆蓋一系列的輸出電壓，從而通過減少產(chǎn)品的硬件數(shù)量來減少庫存并簡化物流管理。值得注意的還有，BMR450及其40A的同伴BMR451圖 8可以共享一個PCB布線，從而允許設(shè)計師們隨著系統(tǒng)電源需要的演變而交換轉(zhuǎn)換器——圖 9。對于所有3E家族的電源轉(zhuǎn)換器來說，都有類似的好處。
圖8 40A 符合輸入/輸出PMBus的，并采用數(shù)字控制的負(fù)載點(diǎn)BMR451
圖9 愛立信3E負(fù)載點(diǎn)調(diào)節(jié)器的封裝布線是可以縮放的。單個PCB布線可以容納不同類產(chǎn)品以提高靈活性
如果輸出電壓或任何其它可編程參數(shù)有必要進(jìn)行一次性的改動，那么電路板生產(chǎn)的ATE階段是進(jìn)行改動的合理時機(jī)。或者，一個分銷商也可提供編程服務(wù)。假設(shè)有一個簡單的最終用戶應(yīng)用程序，比如升級某個模擬設(shè)計，那么目標(biāo)電路板上就可以免除電路板電源管理邏輯電路。然而將整個PMBus連接性包括進(jìn)來，可為電源系統(tǒng)設(shè)計師們大大增加可選項(xiàng)目。由于PMBus僅需要四個元件，而一個低成本的微控制器就可輕松地容納電路板電源管理邏輯，所以這種方式很值得考慮。
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PMBus連接性的實(shí)施，使得系統(tǒng)主機(jī)能夠在設(shè)備整個生命周期中監(jiān)控每個與PMBus兼容的裝置。這種數(shù)據(jù)收集能力取決于系統(tǒng)監(jiān)測軟件的復(fù)雜性，或許為能源成本分析、根本誘因故障分析奠定基礎(chǔ)，或者滿足其它用戶指定的功能。它或許可以有助于避免系統(tǒng)故障。例如，如果監(jiān)測軟件監(jiān)測到某個特定裝置出現(xiàn)一種異乎尋常的告警條件的圖像，就可以在該可疑裝置發(fā)生故障之前設(shè)法將其排除出工作回路。類似的，如果電源轉(zhuǎn)換器的輸出電壓隨時間推移或因較大溫差而發(fā)生漂移，那么監(jiān)測軟件可以將該裝置調(diào)回正常的在規(guī)格范圍內(nèi)的值。
監(jiān)控某個電路板的功率消耗還可節(jié)約能源，因?yàn)楸O(jiān)控軟件可以智能化地變換中間母線轉(zhuǎn)換器供應(yīng)給負(fù)載點(diǎn)調(diào)節(jié)器的輸出電壓。幾乎所有電源轉(zhuǎn)換器在輕載的情況下一般效率偏低，所以對高級母線轉(zhuǎn)換器電壓輸出進(jìn)行重新編程，比如從12VDC降到9VDC，就可以在負(fù)載點(diǎn)調(diào)節(jié)器以輕負(fù)載運(yùn)行的同時減少功率損耗。——圖10。如果需要更多功率，監(jiān)控軟件就會隨著新的負(fù)載條件而將中間母線電壓無縫地提高到最優(yōu)水平。當(dāng)一對電源轉(zhuǎn)換器在并聯(lián)的均流電路中運(yùn)作時，如果負(fù)載級別正好在單個轉(zhuǎn)換器的容量范圍內(nèi)，那么就可以關(guān)閉一個轉(zhuǎn)換器，節(jié)約能源。——圖11。這種積極的電源管理方式尤其適合在變化范圍很大的負(fù)載條件下的系統(tǒng)。
圖10 根據(jù)有效負(fù)載的情況來調(diào)節(jié)高級中間母線轉(zhuǎn)換器的輸出電壓，可以降低能耗
圖11 如果需要更多功率，監(jiān)測軟件可以使一對電源轉(zhuǎn)換器工作在并聯(lián)均流的情況下
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這只是個開頭
要強(qiáng)調(diào)的是，這些實(shí)例僅僅代表了帶PMBus功能的3E電源轉(zhuǎn)換器實(shí)現(xiàn)的少數(shù)幾個功能，而創(chuàng)新的設(shè)計師們無疑會發(fā)現(xiàn)新的可能。同時，這些轉(zhuǎn)換器中的任何一種都可以升級模擬設(shè)計而無需設(shè)計師們特別花費(fèi)力氣。這些轉(zhuǎn)換器也提供類似模擬轉(zhuǎn)換器使用風(fēng)格的功能，例如通過外接單個電阻、遠(yuǎn)端電壓補(bǔ)償和單引腳開關(guān)控制，所以它們可以輕松地實(shí)現(xiàn)獨(dú)立操作。PMBus擁有的“一勞永逸”能力還意味著，任何3E電源轉(zhuǎn)換器都可以按照用戶指定的參數(shù)進(jìn)行預(yù)先編程，而這些參數(shù)是該裝置在生命周期內(nèi)或在重新編程之前都會保留的。這樣一來，為了某個特定的應(yīng)用程序，目標(biāo)系統(tǒng)無需PMBus就可以對轉(zhuǎn)換器實(shí)現(xiàn)微調(diào)。
與知名的模擬技術(shù)相比，數(shù)字電源轉(zhuǎn)換是極大的研發(fā)力量的結(jié)晶，而這些研發(fā)力量是投入開發(fā)值得生產(chǎn)的數(shù)字轉(zhuǎn)換器所必要的——這是選擇經(jīng)證實(shí)的、預(yù)先驗(yàn)證過的解決方案的主要原因。為了方便用戶輕松適應(yīng)數(shù)字電源環(huán)境，愛立信提供了工程方面的協(xié)助，并通過大量的技術(shù)文件和應(yīng)用信息等文檔，完善了其評估套件圖 12。
圖12 3E評估套件簡化了學(xué)習(xí)、測試和編程
