基于處理器如何實現(xiàn)電源管理模塊設(shè)計？有哪些設(shè)計方案？

一切電子設(shè)備都要用電，電源也就無處不在。電源在我們印象中就是輸入端進(jìn)電，輸出端對用電設(shè)備供電，它的電路是由一堆的電阻、電容、電感還有變壓器、風(fēng)扇之類構(gòu)成。如果有人問你電源屬于模擬電路還是數(shù)字電路，相信大家一定會說是模擬電路，事實上電源系統(tǒng)的電力部分確實是模擬電路，生活中常見電器也多為模擬電源。那么近年來，為何數(shù)字電源的概念越來越常見?數(shù)字電源究竟是什么?

數(shù)字電源屬于開關(guān)電源，但是開關(guān)電源不一定是數(shù)字電源。請看下面圖1-2。

從上面兩張圖我們就可以看出，一個開關(guān)電源到底是不是數(shù)字電源，取決于開關(guān)電源的開關(guān)信號是否由軟件計算出來。開關(guān)電源的應(yīng)用遠(yuǎn)遠(yuǎn)早于DSP、MCU的應(yīng)用，早期的開關(guān)電源都由模擬電路生成PWM調(diào)制信號。后來DSP在以UPS應(yīng)用為代表的逆變器控制電路上得到了大規(guī)模應(yīng)用，但在開關(guān)電源DC—DC部分卻很少使用，并且長期局限于IT行業(yè)的服務(wù)器電源應(yīng)用。近年來，有不少開關(guān)電源的DC—DC電路采用了DSP/MCU，PWM調(diào)制信號由軟件算法計算產(chǎn)生，這才是這里所說的數(shù)字電源。

通過軟件編程實現(xiàn)的用于電源控制算法的復(fù)雜度遠(yuǎn)遠(yuǎn)高于模擬電路所能實現(xiàn)的硬控制算法，后者僅局限于PID控制。DSP/MCU的應(yīng)用使得開關(guān)電源能夠用上各種現(xiàn)代控制算法，比如自適應(yīng)控制、預(yù)測控制等。這些先進(jìn)的控制算法大大的擴(kuò)展了數(shù)字電源的性能，豐富了其應(yīng)用場景。

當(dāng)然，這里不是說數(shù)字電源一定比模擬電源性能更優(yōu)越、數(shù)字電源會淘汰模擬電源。近年來，電源市場上模擬電源與數(shù)字電源之爭確實存在?？傮w上講，負(fù)載波動不大，電壓等級需求單一的系統(tǒng)適合采用模擬電源。這種條件下，由于模擬電源沒有軟件計算的延遲，其響應(yīng)性能反而優(yōu)于數(shù)字電源。

用電需求復(fù)雜的數(shù)據(jù)中心

如果負(fù)載波動大，要求多路不同的供電電壓，甚至對供電的時序也有特殊要求，比如通信用電源、數(shù)據(jù)中心供配電、復(fù)雜電路系統(tǒng)(FPGA/CPU)等，這些用戶就需要數(shù)字電源。究其原因，就是復(fù)雜的功能可以由靈活的軟件編程來實現(xiàn)，高難度的控制需求可以有先進(jìn)的算法來滿足。

除了通過軟件編程可以帶來多功能以及控制算法上的優(yōu)勢外，數(shù)字電源所采用的DSP/MCU往往還帶有豐富的通信外設(shè)。各種接口的使用讓數(shù)字電源具備了通信能力，這大大擴(kuò)展了數(shù)字電源的應(yīng)用場景和功能，比如遠(yuǎn)程控制、在線監(jiān)測、在線升級軟件、多電源組網(wǎng)、集群管理、故障報警等等。這是純模擬電源完全不具備的。DSP/MCU在數(shù)字電源的應(yīng)用還催生了數(shù)字電源專用的通訊協(xié)議——PMBus(Power Management Bus，電源管理總線)，這是一種開放標(biāo)準(zhǔn)的數(shù)字電源管理協(xié)議。通過定義傳輸和物理接口以及命令語言，即可促進(jìn)與電源轉(zhuǎn)換器或其他設(shè)備的通信。支持PMBus的芯片已經(jīng)出現(xiàn)在了很多大牌半導(dǎo)體廠商的產(chǎn)品庫中。

針對數(shù)字電源這一新興電源市場，各大傳統(tǒng)DSP/MCU廠商都推出了專用數(shù)字電源用DSP/MCU芯片。比如Microchip推出了16位DSC：dsPIC33EP GS系列。STMicroelectronics也在STM32家族中推出了采用ARM-Cortex M4核心的STM32G474和STM32F334。

電源設(shè)計工程師通常采用靈活的電源監(jiān)視、時序控制和調(diào)節(jié)電路來管理他們的系統(tǒng)。本文討論電源管理的原理和方法。

多年來，為了使電子系統(tǒng)安全、經(jīng)濟(jì)、耐用和正常工作，對越來越多的電源電壓進(jìn)行監(jiān)測和控制變得極為重要——特別是對于使用微處理器的系統(tǒng)。監(jiān)測一組電源電壓是否超過閾值或者仍然處于正常工作范圍內(nèi)，以及該電壓是否相對于其它電壓依照正確時序啟動或關(guān)閉，對于系統(tǒng)工作的可靠性和安全性來說是至關(guān)重要的。對于這個問題，在每個不同角度上都有著許多解決的方法。例如，利用一個由精密電阻分壓器、比較器和參考電壓所組成的簡單電路，能夠用來檢測一組電源電壓是否高于或低于某一規(guī)定電壓。在復(fù)位發(fā)生器中，例如ADM8032，這種元件與一個延遲元件相結(jié)合來控制器件——例如微處理器、專用集成電路(ASIC)和數(shù)字信號處理器(DSP)——在電源啟動的同時就處于復(fù)位狀態(tài)。這種等級的監(jiān)測對于許多應(yīng)用來說是足以勝任的。當(dāng)需要監(jiān)測多組電源電壓時，通常將多個器件(或是多通道比較器及其相關(guān)電路)并聯(lián)使用，但是增加了對監(jiān)控IC的要求，不再是簡單的閾值比較。

在許多應(yīng)用中，電源的數(shù)目也顯著增加。在一些復(fù)雜、昂貴的系統(tǒng)中，例如局域網(wǎng)(LAN)交換機(jī)和蜂窩電話基站，通常都會有內(nèi)含10組或更多電源的線路卡;即使注重降低成本的消費類系統(tǒng)，例如等離子電視，也可能有多達(dá)15組的獨立電源，其中許多電源需要監(jiān)測和時序控制?，F(xiàn)今許多高性能的IC都需要多組電源，例如，對于許多器件而言，提供獨立的內(nèi)核電源電壓和I/O電源電壓已成為一種標(biāo)準(zhǔn)作法。在高端產(chǎn)品方面，每顆 DSP可能需要高達(dá)四個獨立供應(yīng)的電源。在許多情況下，多顆多電源器件可能共同存在于同一系統(tǒng)中，其中包含F(xiàn)PGA、ASIC、DSP、微處理器和微控制器(以及模擬單元)。

許多器件都采用標(biāo)準(zhǔn)電源電壓(例如 3.3 V)，而另一些器件可能需要專用電源電壓。除此之外，一個特定的標(biāo)準(zhǔn)電壓還可能需要根據(jù)不同的供應(yīng)對象而個別加以調(diào)整。例如，有時會需要像3.3 VANALOG和3.3 VDIGITAL這樣獨立供應(yīng)的模擬電源和數(shù)字電源。為了提高效率(例如：供應(yīng)給內(nèi)存使用的電源電流可能達(dá)到數(shù)百安培)或者為了滿足時序要求(個別的器件在不同時間需要3.3 VA以及3.3 VB)，多次產(chǎn)生相同的電壓有時可能是必要的。所有的這些因素都促使電源數(shù)目的增加。電源電壓監(jiān)測和時序控制有時會變得極為復(fù)雜，特別是當(dāng)一個系統(tǒng)必須設(shè)計成能夠支持電源上電和電源關(guān)斷的時序控制、以及能夠在工作期間內(nèi)不同時間點上，針對各組電源所有可能的故障狀況產(chǎn)生多種響應(yīng)，而中心電源管理控制器正是解決這個難題的最佳方案。

隨著電源電壓數(shù)目的成加，故障發(fā)生的機(jī)率也隨著增加。其風(fēng)險與電源數(shù)目、器件數(shù)量和系統(tǒng)復(fù)雜程度成比例增加。外在因素也會增加風(fēng)險，例如，假如在初始設(shè)計階段，主要的ASIC的特性沒有被完整的定義清楚，那么電源設(shè)計工程師必須用硬件方法完成電壓閾值監(jiān)測和時序控制，因為會隨著ASIC的發(fā)展其電源電壓指標(biāo)會發(fā)生變化。假如其技術(shù)要求改變，那么其PCB必須根據(jù)——明確的進(jìn)程予以修改，這通常涉及到成本問題。另外，對于某些特定器件來說，其電源電壓的指標(biāo)可能會在其開發(fā)期間有所變化。在這種情況之下，對于任一個中心電源系統(tǒng)管理器來說，一個易于調(diào)整電源電壓的方法應(yīng)該是非常有用的。事實上，在對于此類系統(tǒng)的電源進(jìn)行監(jiān)測、時序控制和調(diào)節(jié)所應(yīng)具備的靈活性是非常必要的。