適用于所有場合的數字電源系統管理

摘要：本文介紹了一種適用于所場合的數字電源系統管理，分析了數據通信、電信或存儲系統使用數據電源管理功能，可以使電源系統在負載點、電路板、機架甚至安裝后以最低能耗滿足目標性能要求。

引言

　　嵌入式系統、網絡和數據通信設備的系統設計師一直在被迫提高數據吞吐量和系統性能以及增加各種功能。同時，他們也面臨著降低系統總體功耗的壓力。例如，在數據中心中面臨的挑戰是，通過重新安排工作流程，將作業轉移到未得到充分利用的服務器上，使其他服務器能夠停機，以此來降低總體功耗。不過，為了滿足這些要求，有必要了解最終用戶設備的功耗。為了實現這個目標，可以采用恰當設計的數字電源管理系統，這種系統能夠為用戶提供功耗數據，方便做出明智的能源管理決策。

　　大多數嵌入式系統通過 48V 背板供電。這個電壓通常被降至更低的中間總線電壓，一般為 12V，然后再進一步降至 3.3V，以給系統中電路板供電。不過，這些電路板上的大多數子電路或 IC 需要以不到 1V 至 3V 的電壓以及數十毫安至數百安培的電流工作。結果，負載點 (PoL) DC/DC 轉換器有必要將這一中間總線電壓降至子電路或 IC 所要求的電壓。而且，使問題更加復雜的是，這些電壓軌對排序、電壓準確度、裕度調節以及監察有嚴格要求。

　　既然在數據通信、電信或存儲系統中可能有超過 50 個 PoL 電壓軌，那么系統設計師就需要一種簡單的方法來管理這些軌的輸出電壓、排序以及可允許的最大電流。某些處理器要求其輸入/輸出 (I/O) 電壓在內核電壓之前上升，而某些 DSP 則要求其內核電壓在 I/O 電壓之前上升。使問題更加復雜的是，斷電排序也是必要的。因此，設計師們需要一種簡單的方法來更改系統，以針對每一個 DC/DC 轉換器優化系統性能和存儲特定配置值，進而從總體上簡化設計工作。

　　此外，為了針對可能出現過壓情況保護昂貴的 ASIC，高速比較器必須監視每個軌的電壓值，而且在某個軌超出其規定的安全工作限度時立即采取保護行動。在數字電源系統中，如果發生故障，可以通過 PMBus 報警線路通知主機，而且可以關斷從屬軌，以保護 ASIC 等接受供電的器件。實現這種級別的保護需要合理的準確度和數十微秒量級的響應時間。

　　出于這些原因，數字電源轉換 IC 需要提供高度準確的數字電源系統管理以及高分辨率可編程性和快速遙測回讀，以實時控制和監視關鍵負載點轉換器功能。這些 IC 必須通過基于 I2C 的 PMBus 接口、以超過 100 條命令提供高效率同步降壓型轉換，還必須有內置 EEPROM。這些器件必須兼有一流的模擬開關穩壓器控制器和精確的混合信號數據轉換功能，以實現無比簡便的電源系統設計和管理。最后，還有一個迫切解決的問題，必須有具備易用圖形用戶界面 (GUI) 的軟件開發系統支持這些器件。

1 更小就是更快

　　模擬電源進步常常是由所開發的電路概念導致的。這類進步很少超出制造商范疇，最終幾乎不會進入多家公司的多種產品。這與數字工藝技術的進步不同，數字工藝技術的進步往往會在整個行業內快速普及。隨著時間推移得到普及的模擬 IC 設計概念包括斬波器穩定型放大器、增量累加 A/D 轉換器、突發模式 (BurstMode?) 穩壓器、帶隙基準以及 3 終端穩壓器。然而，以不同工藝技術實現復雜功能的知識依然在不斷增多。這些知識使得每年都能夠產生功能進一步增強的混合信號 IC。

　　數字 IC 線寬越來越小也對模擬 IC 產生了影響。這些工藝技術的速度不斷加快，并提高了基于這些工藝技術制造的模擬 IC 的速度。模數 (A/D) 轉換器就是一個很好的例子，線寬減小已經導致產生了更快的 A/D 轉換器。電路的進步提高了分辨率和速度，最新器件以 16 位分辨率提供 200Mbps 的轉換率。隨著人們開發出速度越來越快、準確度越來越高的工藝技術，我們有理由認為，新器件將會繼續提高速度和精確度。