- 數字可配置性為生命周期帶來(lái)益處
- PMBus™ 是一種關(guān)鍵的業(yè)務(wù)引擎
- 數字電路實(shí)施電源轉換器內部控制環(huán)路
- 監測和控制數字式輸入/輸出電路
經(jīng)過(guò)數十年的孕育，數字電源控制技術(shù)與模擬電源控制技術(shù)相形之下的優(yōu)勢，得到越來(lái)越多的設計師們的青睞，因此該技術(shù)正迅速占領(lǐng)市場(chǎng)份額。盡管如今的經(jīng)濟形勢更具不確定性，但2009年8月，電源行業(yè)的分析師依然預測數字電源在今后五年將獲得近20%的復合年增長(cháng)率，而且這一數字從某種程度上還是算悲觀(guān)的——12個(gè)月前同樣一群分析師們曾認為45%的增長(cháng)率更為確切。撇開(kāi)預測的準確性不說(shuō)，任何技術(shù)要想獲得快速認可和可持續發(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。
許多設計師都已經(jīng)發(fā)現，數字電源控制和數字電源管理的結合，代表了整體能力上真實(shí)、性?xún)r(jià)比高的階躍變化，超出了人們對常規演化的預料。這里，數字電源控制指的是通過(guò)數字電路而非熟悉的模擬電路來(lái)實(shí)施電源轉換器的內部控制環(huán)路。對于一個(gè)簡(jiǎn)單的buck轉換器來(lái)說(shuō)，這意味著(zhù)用模擬轉數字轉換器來(lái)替代傳統誤差反饋信號放大器，同時(shí)對使用數字信號處理技術(shù)推動(dòng)電源開(kāi)關(guān)的脈寬調制器進(jìn)行糾正，從而取代電壓基準、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字控制系統的比較框圖
相比之下，數字電源管理意味著(zhù)對通過(guò)數字式輸入/輸出電路來(lái)聯(lián)通的電路進(jìn)行監測和控制，而這種電路如今幾乎一直使用業(yè)已成為電源行業(yè)規范的PMBus™接口。結合了這兩種數字電源概念的轉換器可以主動(dòng)地管理其轉換過(guò)程，從而在轉換線(xiàn)路和負載條件變化的時(shí)候優(yōu)化效率，同時(shí)將所有電源管理系統都納入同一封裝——圖2。
圖2 數字控制的，符合輸入/輸出PMBus接口標準的高級中間母線(xiàn)轉換器BMR453
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數字可配置性為生命周期帶來(lái)益處
然而數字電源不只改善電氣性能和功率密度要求等曾主導了電源設計師們思維的因素?；旧?，這種性能之所以得以改進(jìn)，就是因為數字控制環(huán)路能夠調整其動(dòng)態(tài)、從而以最佳狀態(tài)適應實(shí)時(shí)的線(xiàn)路和負載條件；相比之下，無(wú)源元器件設定了一個(gè)模擬轉換器的響應，這些響應無(wú)可避免地成為穩定性和對于其操作條件的動(dòng)態(tài)響應之間的折中。但是在開(kāi)發(fā)其“3E”概念，即重視性能、能源管理和最終用戶(hù)價(jià)值的同時(shí)，愛(ài)立信認識到，數字電源帶來(lái)的益處可貫穿產(chǎn)品的生命周期。
由于數字轉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)化了轉換器核心與其控制系統之間的電耦合，減少了功率損耗，并通過(guò)基于模擬技術(shù)的解決方案，大幅度縮減了PCB為容納等效功能設計而必要的空間——圖3。非常重要的是，現在，當數字轉換器最初制成時(shí)、在電源系統設計師應用程序的開(kāi)發(fā)階段、在分銷(xiāo)商的倉庫、當設備被生產(chǎn)出來(lái)時(shí)，以及/或者當它在最終用戶(hù)的設備中運行時(shí)，就可以對數字轉換器進(jìn)行配置了。這種無(wú)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換器行業(yè)。
圖3 高度集成的功能性節約了電路板空間，提高了效率和可靠性
每一個(gè)3E家族電源轉換器都提供一系列可編程參數，包括進(jìn)行輸出電壓值選定、打開(kāi)/關(guān)閉延遲時(shí)間從而為多路負載進(jìn)行上電時(shí)序控制、通過(guò)對上電斜率的控制以提供浪涌電流保護、為系統測試提供電壓裕量，以及關(guān)于過(guò)流、過(guò)溫、過(guò)/欠壓等告警和故障情況的多重回差值設定。甚至可以通過(guò)調節數字轉換器控制環(huán)路的響應來(lái)優(yōu)化特定負載和輸出電容條件下數字轉換器的性能。圖 4 顯示了微調一些常量的結果，這些常量設定了3E負載點(diǎn)調節器的控制環(huán)路響應，從而優(yōu)化既定環(huán)境中的瞬態(tài)響應。這是通過(guò)持續調節反饋環(huán)回內的模擬轉換器電阻和電容的值，從而用數字方式在該模擬轉換器上移動(dòng)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(guò)重新編程數字電源轉換器的控制環(huán)路常數，可以?xún)?yōu)化它在既定操作環(huán)境下的動(dòng)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(kāi)發(fā)階段，PMBus可能是無(wú)價(jià)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(guò)合適的適配器連接到原型電路板的個(gè)人電腦。由于PMBus的物理層依賴(lài)于SMBus（這是基于I2C總線(xiàn)而開(kāi)發(fā)的），因此PMBus通常局限于電路板區域，讓設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器件進(jìn)行監測和控制，例如3E產(chǎn)品家族
為了能讓開(kāi)發(fā)的產(chǎn)品能馬上使用，愛(ài)立信開(kāi)發(fā)了一種與個(gè)人電腦兼容的3E產(chǎn)品評估套件，其中包括USB到PMBus 適配器和驅動(dòng)軟件，它們取代了圖中的板級電源管理器。個(gè)人電腦和套件應用程序隨后就充當系統主機和用戶(hù)界面的角色。這樣就可以通過(guò)極為迅速的方式對輸出電壓設置、上電時(shí)序設定、電壓容限以及故障處理等參數進(jìn)行試驗，而不需要對接受檢測的電路板進(jìn)行硬件更換。如果設計師對設置滿(mǎn)意，應用軟件就可以為每一個(gè)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(gè)裝置配置屏幕上展示的部分選項。
圖6 3E圖形用戶(hù)界面軟件極大地簡(jiǎn)化了產(chǎn)品的參數配置
雖然客戶(hù)可能對具體配置有要求，但愛(ài)立信大多數情況下通常交付的是3E元件，這些都是通過(guò)體現轉換器典型應用綱要的缺省配置來(lái)預先編程的。舉例來(lái)說(shuō)，用戶(hù)可能會(huì )訂購一個(gè)負載點(diǎn)調節器，例如額定20A的BMR450，預先設定為1.0、 3.3、5.0或5.5 VDC——圖 7。
圖7 20A符合輸入/輸出PMBus，并采用數字控制的負載點(diǎn)BMR450
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接下來(lái)就可以通過(guò)PMBus對該裝置進(jìn)行重新編程，從而達到0.6到5.5VDC級別，分辨率為1Mv（同樣可以通過(guò)一個(gè)電阻在25步長(cháng)的范圍內將產(chǎn)品的輸出電壓設置在0.7到5.0VDC范圍之間）。這樣一來(lái)，一個(gè)產(chǎn)品就能覆蓋一系列的輸出電壓，從而通過(guò)減少產(chǎn)品的硬件數量來(lái)減少庫存并簡(jiǎn)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(gè)PCB布線(xiàn)，從而允許設計師們隨著(zhù)系統電源需要的演變而交換轉換器——圖 9。對于所有3E家族的電源轉換器來(lái)說(shuō)，都有類(lèi)似的好處。
圖8 40A 符合輸入/輸出PMBus的，并采用數字控制的負載點(diǎn)BMR451
圖9 愛(ài)立信3E負載點(diǎn)調節器的封裝布線(xiàn)是可以縮放的。單個(gè)PCB布線(xiàn)可以容納不同類(lèi)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有必要進(jìn)行一次性的改動(dòng)，那么電路板生產(chǎn)的ATE階段是進(jìn)行改動(dòng)的合理時(shí)機?；蛘?，一個(gè)分銷(xiāo)商也可提供編程服務(wù)。假設有一個(gè)簡(jiǎn)單的最終用戶(hù)應用程序，比如升級某個(gè)模擬設計，那么目標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(gè)PMBus連接性包括進(jìn)來(lái)，可為電源系統設計師們大大增加可選項目。由于PMBus僅需要四個(gè)元件，而一個(gè)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，使得系統主機能夠在設備整個(gè)生命周期中監控每個(gè)與PMBus兼容的裝置。這種數據收集能力取決于系統監測軟件的復雜性，或許為能源成本分析、根本誘因故障分析奠定基礎，或者滿(mǎn)足其它用戶(hù)指定的功能。它或許可以有助于避免系統故障。例如，如果監測軟件監測到某個(gè)特定裝置出現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)生故障之前設法將其排除出工作回路。類(lèi)似的，如果電源轉換器的輸出電壓隨時(shí)間推移或因較大溫差而發(fā)生漂移，那么監測軟件可以將該裝置調回正常的在規格范圍內的值。
監控某個(gè)電路板的功率消耗還可節約能源，因為監控軟件可以智能化地變換中間母線(xiàn)轉換器供應給負載點(diǎn)調節器的輸出電壓。幾乎所有電源轉換器在輕載的情況下一般效率偏低，所以對高級母線(xiàn)轉換器電壓輸出進(jìn)行重新編程，比如從12VDC降到9VDC，就可以在負載點(diǎn)調節器以輕負載運行的同時(shí)減少功率損耗。——圖10。如果需要更多功率，監控軟件就會(huì )隨著(zhù)新的負載條件而將中間母線(xiàn)電壓無(wú)縫地提高到最優(yōu)水平。當一對電源轉換器在并聯(lián)的均流電路中運作時(shí)，如果負載級別正好在單個(gè)轉換器的容量范圍內，那么就可以關(guān)閉一個(gè)轉換器，節約能源。——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載條件下的系統。
圖10 根據有效負載的情況來(lái)調節高級中間母線(xiàn)轉換器的輸出電壓，可以降低能耗
圖11 如果需要更多功率，監測軟件可以使一對電源轉換器工作在并聯(lián)均流的情況下
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這只是個(gè)開(kāi)頭
要強調的是，這些實(shí)例僅僅代表了帶PMBus功能的3E電源轉換器實(shí)現的少數幾個(gè)功能，而創(chuàng )新的設計師們無(wú)疑會(huì )發(fā)現新的可能。同時(shí)，這些轉換器中的任何一種都可以升級模擬設計而無(wú)需設計師們特別花費力氣。這些轉換器也提供類(lèi)似模擬轉換器使用風(fēng)格的功能，例如通過(guò)外接單個(gè)電阻、遠端電壓補償和單引腳開(kāi)關(guān)控制，所以它們可以輕松地實(shí)現獨立操作。PMBus擁有的“一勞永逸”能力還意味著(zhù)，任何3E電源轉換器都可以按照用戶(hù)指定的參數進(jìn)行預先編程，而這些參數是該裝置在生命周期內或在重新編程之前都會(huì )保留的。這樣一來(lái)，為了某個(gè)特定的應用程序，目標系統無(wú)需PMBus就可以對轉換器實(shí)現微調。
與知名的模擬技術(shù)相比，數字電源轉換是極大的研發(fā)力量的結晶，而這些研發(fā)力量是投入開(kāi)發(fā)值得生產(chǎn)的數字轉換器所必要的——這是選擇經(jīng)證實(shí)的、預先驗證過(guò)的解決方案的主要原因。為了方便用戶(hù)輕松適應數字電源環(huán)境，愛(ài)立信提供了工程方面的協(xié)助，并通過(guò)大量的技術(shù)文件和應用信息等文檔，完善了其評估套件圖 12。
圖12 3E評估套件簡(jiǎn)化了學(xué)習、測試和編程
