靈活的數(shù)字解決方案滿足新興電源管理需求
過去,面向計(jì)算和通信應(yīng)用的功率轉(zhuǎn)換IC的實(shí)現(xiàn)非常簡(jiǎn)單。模擬脈沖寬度調(diào)制(PWM)IC只有兩個(gè)任務(wù):輸出功率和調(diào)節(jié)電壓。諸如監(jiān)視或診斷等其他功能被視為不必要。在極少數(shù)需要這些功能的情況下,則可以通過外接芯片實(shí)現(xiàn)。
然而,如今對(duì)高效、可靠的電源管理的需求正以比摩爾定律的發(fā)展速度快得多的速率迅猛增長(zhǎng)。面向計(jì)算和通信應(yīng)用的主要處理器件包含了數(shù)十億個(gè)晶體管,這些器件對(duì)電源的要求更加精確和復(fù)雜。
在數(shù)據(jù)通信領(lǐng)域,出現(xiàn)了采用36至40個(gè)電壓軌的電路板。在計(jì)算應(yīng)用中,主板常常利用超過20個(gè)電壓軌為各種ASIC、存儲(chǔ)器和處理器芯片組提供電源。這種復(fù)雜度要求對(duì)多種不同的參數(shù)進(jìn)行精密的診斷、控制和監(jiān)視,而這是模擬PWM力所不及的。典型的解決辦法是添加一個(gè)單獨(dú)的微控制器,但這會(huì)大幅提高系統(tǒng)成本和設(shè)計(jì)復(fù)雜度,同時(shí)還會(huì)占用日趨小巧的電路板上的寶貴空間。
系統(tǒng)效率
精密控制必然引起另一個(gè)問題:系統(tǒng)效率。諸如與日俱增的燃料成本和環(huán)境壓力等外部因素,進(jìn)一步突出了效率的重要性。
計(jì)算應(yīng)用進(jìn)行數(shù)據(jù)處理所耗用的電力不足其總功耗的50%,散熱和系統(tǒng)損耗等浪費(fèi)了大部分電源。最終結(jié)果是,浪費(fèi)的每瓦電力都提高了應(yīng)用的總占有成本,增加了全球能源消耗。如果不能測(cè)量和診斷系統(tǒng),就幾乎不可能實(shí)時(shí)提高效率。典型的模擬電源解決方案是一個(gè)黑匣子,不提供任何診斷信息。
面對(duì)日益加劇的價(jià)格壓力,設(shè)計(jì)師越來越多地尋求不是通過獨(dú)立微處理器執(zhí)行電源診斷,而是整合了該功能的電源解決方案。他們希望利用經(jīng)濟(jì)高效的解決方案來監(jiān)視芯片的電流、電壓、溫度和功率效率。系統(tǒng)設(shè)計(jì)師希望其電源能夠針對(duì)每個(gè)電壓軌,提供故障報(bào)告,與PWM控制器進(jìn)行I2C通信以及靈活編程個(gè)性化參數(shù)。
這一切導(dǎo)致了一個(gè)簡(jiǎn)單結(jié)論:市場(chǎng)發(fā)展動(dòng)力和客戶需求意味著模擬解決方案的摩爾定律進(jìn)步速度滯后于當(dāng)前的客戶需求。滿足當(dāng)前需求的唯一途徑是轉(zhuǎn)向數(shù)字電源解決方案(請(qǐng)參閱圖1)。
圖1. 電源管理控制器框圖滿足了當(dāng)前對(duì)轉(zhuǎn)向數(shù)字電源解決方案的需求。
有些市場(chǎng)已經(jīng)開始了從模擬到數(shù)字的過渡。例如,要滿足服務(wù)器和高端顯卡對(duì)電源的復(fù)雜要求,就必須采用數(shù)字電源。其他市場(chǎng)也在逐步轉(zhuǎn)變。起初,這個(gè)決定只是簡(jiǎn)單地出于成本考慮。模擬PWM非常成熟、歷經(jīng)檢驗(yàn)并且價(jià)格低廉。改用數(shù)字解決方案會(huì)增加系統(tǒng)的總成本。但是現(xiàn)在,成本等式已經(jīng)改變??紤]到系統(tǒng)智能、故障處理和其他可編程特性,到頭來模擬解決方案的成本反而高于數(shù)字解決方案。對(duì)于像數(shù)字通信這樣的市場(chǎng),模擬解決方案及其所需的額外芯片也不能滿足其空間要求。
數(shù)字解決方案
同許多新技術(shù)一樣,轉(zhuǎn)變都會(huì)遇到抵觸。這種抵觸是人之常情,抵觸的力量會(huì)隨著時(shí)間的流逝而減弱。不幸的是,除這種對(duì)轉(zhuǎn)變自然而然的抵觸之外,還有兩個(gè)主要的誤解困擾著數(shù)字電源解決方案。
第一個(gè)誤解,圍繞著成本問題。當(dāng)開發(fā)人員權(quán)衡他們的選項(xiàng),意識(shí)到現(xiàn)在用與模擬解決方案相同的成本就能實(shí)現(xiàn)數(shù)字電源管理的所有益處時(shí),這個(gè)誤解就會(huì)迎刃而解。
第二個(gè)誤解更加惱人,這也是廣泛采用數(shù)字電源解決方案所面臨的最嚴(yán)峻的障礙。這個(gè)誤解認(rèn)為,數(shù)字解決方案如此復(fù)雜,因此,為特定應(yīng)用進(jìn)行定制需要進(jìn)行大量培訓(xùn),并且設(shè)計(jì)周期很長(zhǎng)。花大量時(shí)間進(jìn)行設(shè)計(jì)是否值得?可能有人認(rèn)為值得,不過,幸運(yùn)的是,設(shè)計(jì)師不必做出這個(gè)選擇。新近問世的數(shù)字電源管理解決方案讓設(shè)計(jì)師感覺不到其復(fù)雜性。
就像PC用戶在使用應(yīng)用程序時(shí)不需要知道其底層的代碼,電源設(shè)計(jì)師在利用數(shù)字電源解決方案時(shí)也不需要了解其編程。這促進(jìn)了這項(xiàng)技術(shù)的推廣。
先期應(yīng)用者往往是熱衷于一探究竟的技術(shù)專家。然而,要得到普遍采用,必須通過更好、更直觀的用戶界面,隱蔽其復(fù)雜性。最新一代數(shù)字電源IC為數(shù)字電源解決方案帶來了希望。它可以與負(fù)責(zé)在電源管理的主板級(jí)和機(jī)架級(jí)協(xié)調(diào)電源的處理器、ASIC和微處理器進(jìn)行雙向通信(請(qǐng)參閱圖2)。
圖2. 最新一代數(shù)字電源IC可以與負(fù)責(zé)協(xié)調(diào)電源的處理器、ASIC和微處理器進(jìn)行雙向通信。
將模擬信息數(shù)字化之后,可以對(duì)每一條信息進(jìn)行乘、除、加運(yùn)算、傳輸、補(bǔ)償、過濾以及存儲(chǔ)。由于數(shù)字算法決定了整個(gè)芯片的技術(shù)規(guī)格和性能,因此,這些數(shù)字電源IC還可以實(shí)現(xiàn)非線性和異步算法,以改善瞬態(tài)性能。
全部數(shù)據(jù)都已數(shù)字化,因此,很容易通過I2C總線傳輸這些信息。此外,這項(xiàng)技術(shù)也可以輕松適應(yīng)未來的高速通信總線,實(shí)現(xiàn)高達(dá)33 MHz或66 MHz的總線速率。得益于這些架構(gòu)性功能,能夠滿足復(fù)雜的系統(tǒng)要求的數(shù)字電源IC將在今后十年大顯身手。
圖形化用戶界面
數(shù)字電源IC解決方案也為系統(tǒng)設(shè)計(jì)師提供了靈活性。利用軟件,可以全面設(shè)置電源設(shè)計(jì)的補(bǔ)償、設(shè)置點(diǎn)、OCP電平、OVP電平和所有主要參數(shù)。通過一個(gè)直觀的圖形化用戶界面(GUI),設(shè)計(jì)師可以優(yōu)化特定設(shè)計(jì)的輸出電容和電感,而不必更換電路板上的電阻器或電容器。電源解決方案的設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)無需更換分立式元件。最終的結(jié)果是不僅提高了系統(tǒng)靈活性,而且也縮短了最終產(chǎn)品的上市時(shí)間。
此外,產(chǎn)品一經(jīng)部署,就可以實(shí)現(xiàn)元件老化和溫度漂移校準(zhǔn)。在數(shù)字電源IC中,可以針對(duì)每一條電壓軌進(jìn)行單獨(dú)設(shè)計(jì)和編程??梢暂p松地將數(shù)字電源IC實(shí)現(xiàn)為多個(gè)相位,并且與各相位的同步時(shí)間并行運(yùn)行,這樣就能降低EMI干擾信號(hào),以便輕松過濾。降低了rms輸入電流,減少了所需的輸入電容。同樣地,是通過軟件而不是硬件,實(shí)現(xiàn)了靈活性和定制設(shè)計(jì)。
實(shí)現(xiàn)上述所有特性的關(guān)鍵是直觀的圖形化用戶界面(GUI)?,F(xiàn)在,即使不熟悉數(shù)字電源管理的設(shè)計(jì)師也能按照屏幕顯示的各種選擇,一步一步輕松編程輸出電壓、電流、故障、回路補(bǔ)償?shù)腜ID系數(shù)以及其他主要功能。
設(shè)計(jì)師可以編程主板上的各個(gè)電壓軌,單獨(dú)設(shè)置每個(gè)電壓軌的定時(shí)、跟蹤、上升時(shí)間和可編程延遲。這樣,數(shù)字電源IC不僅可以實(shí)現(xiàn)PWM控制,而且可以對(duì)具備多個(gè)電壓軌的電路板進(jìn)行全面的電源管理,并與系統(tǒng)進(jìn)行實(shí)時(shí)通信。
提供圖形化用戶界面(GUI)看起來微不足道,但其實(shí)有重要意義。就像更好的用戶界面促進(jìn)了Linux系統(tǒng)的推廣,直觀的圖形化用戶界面(GUI)也縮短了數(shù)字電源管理解決方案的設(shè)計(jì)時(shí)間,消除了設(shè)計(jì)師在這方面的成本顧慮。數(shù)字電源IC不僅是當(dāng)今的芯片技術(shù)提供的先進(jìn)解決方案,同時(shí)也是最經(jīng)濟(jì)劃算的解決方案。