數(shù)字電源管理的控制協(xié)議

隨著移動電話、筆記本電腦、數(shù)碼相機、攝錄像機、mp3播放機等便攜裝置的迅速發(fā)展，對電源和電源管理提出了更高的要求。電源系統(tǒng)面對：

·系統(tǒng)日益增加的復雜性;

·需要管理更多電壓、更低電壓以及更寬的輸入電壓范圍;

·系統(tǒng)空間越來越小，功能越來越多，功率越來越高;

·高性價比要求。

面對這些嚴峻的挑戰(zhàn)，制造廠家推出各種解決方案，使得電源和電源管理技術(shù)日新月異，新產(chǎn)品、新結(jié)構(gòu)、新協(xié)議、新解決方案層出不窮。

除便攜裝置所用電源面對嚴峻挑戰(zhàn)外，計算機、通信、工業(yè)、消費電子、汽車、儀器儀表等所用電源面對提高電源效率、降低待機功耗的挑戰(zhàn)。

數(shù)字電源管理

數(shù)字電源控制協(xié)議

控制電源轉(zhuǎn)換和管理器件的數(shù)字通信協(xié)議——新PMBus(電源管理總線)于2005年發(fā)布標準規(guī)范。一些電源和半導體公司，如artesyn technologies 、astec/emerson network power 、intersil corp. 、microchip technology 、summit microelectronics 、texas instrument s 、volterra semiconductor　、zilker labs inc.等參與此協(xié)議的共同研究。用pmbus，根據(jù)標準命令集可以配置、監(jiān)控和維護電源轉(zhuǎn)換器。設(shè)計人員可以用pmbus命令來設(shè)置電源的工作參量、監(jiān)控電源工作和執(zhí)行正確的測量來響應失效或工作報警。僅僅靠重新編程設(shè)置電源輸出電壓性能能使同一硬件提供不同的輸出電壓。pmbus系統(tǒng)的監(jiān)控和維護性能能夠增強系統(tǒng)的可靠性和可用性。

實現(xiàn)PMBus規(guī)范需要電源和相關(guān)ic的設(shè)計要遵從所要求的接口和命令。例如，在實現(xiàn)PMBus規(guī)范時，SMBus(系統(tǒng)管理總線)提供主計算機或系統(tǒng)控制器與PMBus依從器件之間的串行通信(圖1)。在實現(xiàn)PMBus規(guī)范時，PMBus協(xié)議將使能多源電源管理產(chǎn)品。設(shè)計人員能夠用標準命令集控制PMBus依從的電源轉(zhuǎn)換器。

圖1　在pmbus規(guī)范實現(xiàn)中，smbus提供主計算機或系統(tǒng)管理器與pmbus依從器件之間的串行通信

數(shù)字電源管理器

Power-one公司的第二代IBA(中間總線結(jié)構(gòu))控制器從模塊變?yōu)閱纹?。單片?shù)字IBA控制器zm7332可以控制高達32個數(shù)字pol(負載點)、4個簡單的LDO(低壓降)穩(wěn)壓器、vrm(電壓穩(wěn)壓器模塊)等。在典型的應用中，系統(tǒng)中有4組z-one pol(圖2)，每組由1個或多個pol轉(zhuǎn)換器構(gòu)成。單片dpm(數(shù)字電源管理器)控制器可由用戶編程失效管理配置和規(guī)定容限功能、監(jiān)控、啟動功能以及報告轉(zhuǎn)換行為。用戶可以通過i2c總線在產(chǎn)品開發(fā)和應用期間的任何時間改變可編程的參量。dpm可以觸發(fā)任選的保安電路并為中間總線電壓提供欠壓和過壓保護。dpm也可以管理模擬pol或ldo以及需要開/關(guān)功能或監(jiān)控的任何事情。每個器件都有1個地址并配置在1個組中?？梢跃幊淌鼓苄盘柕臉O性和輔助器件的失效數(shù)據(jù)。

圖2　dpm控制器應用電路

數(shù)字電源

ti公司的fusiondigitalpowertm解決方案把模擬電源管理和數(shù)字信號處理結(jié)合在一起，使電源系統(tǒng)更智能、更可靠，使得數(shù)字控制電源系統(tǒng)以極具競爭力的低成本實現(xiàn)更高的性能和設(shè)計靈活性。fusion digital powertm解決方案包括數(shù)字電源控制器ucd9k、數(shù)字電源pwm控制器ucd8k和數(shù)字電源驅(qū)動器ucd7k。該數(shù)字電源解決方案支持從ac線路到負載點應用的電源系統(tǒng)，包括電信設(shè)備、計算機服務器、數(shù)據(jù)中心電源系統(tǒng)。

pol電源模塊

非隔離式插入負載點電源模塊

ti公司的t2系列非隔離式插入負載點電源模塊支持4.5v~14v輸入電壓范圍的降壓dc/dc轉(zhuǎn)換，可調(diào)輸出電壓能夠在輸出電流高達50a時下降至0.7v，非常適合于iba應用。圖3示出t2電源模塊的應用電路。t2模塊集成了最新的turbotranstm技術(shù)和smartsync功能。創(chuàng)新的turtranstm技術(shù)使電源設(shè)計人員利用單個外部電阻器就可動態(tài)地“調(diào)節(jié)”模塊，從而滿足特定的瞬態(tài)負載要求。此技術(shù)能大幅度降低所需電容，使輸出電容降低5~8倍。從而節(jié)省電容成本和pcb空間。最終可加快瞬態(tài)響應，使輸出電壓偏移降低40%。t2電源模塊的smartsync功能使電源設(shè)計人員能將多個t2電源模塊的開關(guān)頻率同步到特定的頻率。因此，設(shè)計人員可以將電源模塊同步到能使效率最大化和功耗最小化的頻率。由于解決了同步問題，就能夠消除差頻，同步化的電源模塊更易于實現(xiàn)emi濾波，從而滿足對噪聲敏感的rf系統(tǒng)的輻射要求。也可以在不同的相位角同步電源模塊，降低pol輸入電容。t2電源模塊還具有dsp要求的1.5% dc容差、auto-tracktm排序技術(shù)、預偏置啟動、差分遠程感測、開/關(guān)機控制、過濾保護、過溫保護、欠壓鎖定等特性。

圖3　非隔離式插入負載點電源模塊應用電路[!--empirenews.page--]

dc/dc微型電源模塊

linear公司的微型10a　pol降壓穩(wěn)壓器模塊在15mm×15mm×2.8mm　lga封裝中包含板上電感器、板上功率MOSFET、板上dc/dc控制器和MOSFET驅(qū)動器、板上補償電路。用它構(gòu)成pol穩(wěn)壓器僅需輸入和輸出電容器(圖4)。圖4中l(wèi)tm4600ev轉(zhuǎn)換器的輸入電壓范圍4.5v~20v(ltm4600hvev最大輸入電壓可達28v)，輸出電壓范圍0.6v~5v(由1個電阻器設(shè)置)，典型開關(guān)頻率800khz(滿載)，它包含過壓和短路保護以及通過小電容器可調(diào)的內(nèi)置軟啟動定時器。

圖4　微型10a　pol模塊應用電路

分布電源新拓撲

vicor公司的FPA(factorized power architecture)在負載點采用隔離電壓轉(zhuǎn)換模塊(vtm)，由前置穩(wěn)壓器模塊(prm)提供穩(wěn)壓(見圖5)。

圖5　分布電源新拓撲

電源轉(zhuǎn)換拓撲一 般采用脈寬調(diào)制(pwm)轉(zhuǎn)換器。一種新的電源轉(zhuǎn)換拓撲是正弦幅度轉(zhuǎn)換器(sac)。sac把零電流開關(guān)(zcs)/零電壓開關(guān)(zvs)轉(zhuǎn)換器和pwm轉(zhuǎn)換器的優(yōu)點結(jié)合在一起。sac與pwm轉(zhuǎn)換器的性能比較示于表1。sac開關(guān)頻率高達3.5mhz，這可減小電抗元件的大小。不像一些非隔離轉(zhuǎn)換器那樣，交錯多相位來產(chǎn)生1個高有效頻率，sac工作在1個有效的單相頻率，這使復雜性大大地降低。

zcs/zvs大大降低了開關(guān)損耗，sac在100%占空比處理功率，不需要串行能量存儲在轉(zhuǎn)換器的輸出，這進一步減小了元件尺寸，并改善了瞬態(tài)響應。

改善功率因數(shù)校正的新技術(shù)

交流電源設(shè)備必須遵從有關(guān)規(guī)定的總諧波失真(thd)最大限制，這意味著實現(xiàn)功率因數(shù)校正(PFC)已成為電源設(shè)計的1個關(guān)鍵因素。在低功率系統(tǒng)(200w~300w)，開關(guān)電源慣用的控制方法是非連續(xù)電流模式(dcm)技術(shù)，在這種方法中開關(guān)周期每部分電感器電流降到零。dcm方案的優(yōu)點是簡單和經(jīng)濟。但是，隨著功率的增加，需要較大的emi濾波器、效率會降低而且需要較大的fet和散熱器?；诖嗽?，較高功率系統(tǒng)采用連續(xù)電流模式(ccm)技術(shù)，而不管這會導致較多的元件、電路復雜以及尺寸和系統(tǒng)成本增加。

pfc設(shè)計的新方法是occ(one-cycle control)。occ方案在功率75w~4kw額定范圍內(nèi)能提供一般ccm技術(shù)的所有好處，并具有較低的成本和復雜性。新的occ方案與傳統(tǒng)乘法基ccm系統(tǒng)的差別是occ不需要ac線感測。從dc總線電壓和返回電流得到校正電流波形和使功率因數(shù)最大所需的所有信息。occ系統(tǒng)處理這些信息來驅(qū)動pfc開關(guān)的占空比。occ電路(圖6)不需要模擬乘法器、輸入電壓感測、固定振蕩器斜波。在occ電路中，在1個開關(guān)周期內(nèi)積分誤差放大器的輸出來產(chǎn)生1個可變斜率斜波，然后與誤差電壓進行比較，產(chǎn)生pwm柵極驅(qū)動信號。這種控制方法比傳統(tǒng)的乘法基技術(shù)所需電阻器少40%、電容器少50%(對典型1kw系統(tǒng)而言)。對于pfc，occ簡化了控制技術(shù)而又能提供像傳統(tǒng)乘法器基那樣的高性能?，F(xiàn)在，把occ功能集成到高性能ic中，ir公司已為75w~4kw功率額定值應用開發(fā)出單芯片方案，這就是µpfc的新ir1150家族。

圖6　pfc設(shè)計和occ方案

結(jié)語

電源管理是當今熱門的電子技術(shù)。有關(guān)電源管理的協(xié)議、新產(chǎn)品、新拓撲、新解決方案(如數(shù)字電源控制協(xié)議PMBus，單片數(shù)字電源管理器和數(shù)字電源，微型和大電流pol電源模塊，分布電源fpa拓撲，sac轉(zhuǎn)換器，pfc設(shè)計的occ方案等)層出不窮。預計未來5年，電源管理全球市場年增長率15%以上。