由于PMBus 規格設計可以為檢測和控制功率管理設備提供平臺，因此面對有源功率管理設計時(shí)，工程師不得不圍繞 PMBus 規格進(jìn)行設計。同時(shí)考慮到尺寸限制，必須最大限度地減少元器件的使用數量。而MPS 最新推出的集成 PMBus 負載點(diǎn)（PoL）調節器MPQ8645P 便可以輕松解決這兩大挑戰。

 

系統設計挑戰

 

在服務(wù)器、電信和網(wǎng)絡(luò )基礎設施中，使用的典型電源架構包含一個(gè) AC/DC 前端，負責生成 48V 直流電。該直流電會(huì )被輸送至 DC/DC 變換器，在這里電壓被轉換成 12V 中間母線(xiàn)結構。然后將 12V 母線(xiàn)電壓分配至板上多個(gè)負載點(diǎn)（PoL）變換器中，為芯片或子電路提供電源。但是大多數芯片或子電路所需的電壓范圍僅為 1V-3.3V，電流范圍卻為幾十毫安至數百安培。且這些電壓軌對時(shí)序、電壓精度、裕量和檢測能力的設計要求非常嚴格。(見(jiàn)圖 1)

 

圖 1: 分布式電源架構示例

 

在這一復雜系統中，有時(shí)可能存在50多個(gè)負載點(diǎn)（POL）電壓軌。系統架構師和工程師需要設計出一種簡(jiǎn)單的方式來(lái)管理這些電壓軌，包括輸出電壓、時(shí)序和最大允許電流。其中，有些處理器要求I/O電壓先于核心電壓上電，而有些ASIC則要求核心電壓先于I/O電壓上電，同時(shí)還需要上電/下電時(shí)序。只有采用簡(jiǎn)單的方式來(lái)更改系統參數，優(yōu)化系統性能，并為每個(gè)DC/DC轉換器存儲特定的配置，才能簡(jiǎn)化設計。

 

為滿(mǎn)足有源功率管理的增長(cháng)需求，很多新系統設計轉向采用PMBus技術(shù)，因為其供電更加靈活。PMBus 可以簡(jiǎn)化配置、時(shí)序以及電源檢測功能，同時(shí)還能測定和響應警報及故障。最新的PMBus規格（1.3版本）介紹了自適應電壓調節功能（AVS），該功能可以支持處理器自主降低時(shí)鐘頻率和電源電壓。這樣，當輸出負載較輕時(shí)，它自己的功耗就會(huì )降到最低，從而顯著(zhù)節電。PMBus 1.3 版本進(jìn)行了諸多改進(jìn)，比如更快的PMBus速度以加載更大的數據量[AP1] [YT2] , 更強的輸出電壓跟蹤系統以報告[AP3] [YT4] 警報閾值，還有用于與高優(yōu)先級設備進(jìn)行高速通信的快速區域讀/寫(xiě)功能，以及允許在更寬范圍內實(shí)現更高精度的修訂數據格式。  

 

一旦增加系統復雜性，縮短設計周期，設計資源會(huì )變得更加緊缺，主要取決于開(kāi)發(fā)系統的關(guān)鍵知識產(chǎn)權。這通常意味著(zhù)只能在開(kāi)發(fā)后期才能關(guān)注電源。由于開(kāi)發(fā)周期短，且電源設計專(zhuān)業(yè)知識有限，研發(fā)出尺寸小效率高的解決方案簡(jiǎn)直是難上加難。面對不斷縮小的電路板面積，只能在電路板背面做文章，而有些情況下，此種方法也不可行。理想的解決方案就是將整個(gè)電源集成在小型封裝中。

 

MPS 最新方案出爐

 

通常，處理從幾十毫安到數百安培應用程序的傳統方式會(huì )采用離散模擬解決方案。離散模擬解決方案的構建塊由一個(gè)控制器 IC 和一對外部 MOSFET 或一個(gè)驅動(dòng) MOSFET（DRMOS）IC 組成。這些部件采用適當數量的輸入輸出電容和電感來(lái)實(shí)現基本的功率轉換要求。然而，最先進(jìn)的現代系統設計要求具有監控、控制和獲取系統報告實(shí)時(shí)信息的能力。這些特性可以通過(guò)添加更多的外部組件來(lái)實(shí)現，例如電壓監測儀、溫度傳感器、模數轉換器（ADC）和數模轉換器（DAC）。這樣不僅增加了成本，還占用了大量的電路板空間，與最先進(jìn)的現代系統設計理念相悖。

 

與傳統的離散模擬解決方案不同，MPS提出了一種整體解決方案-- MPQ8645P 是一款16V降壓穩壓器，可兼容 PMBus 接口，其單相電流傳輸能力高達 30A，采用同步整流器以獲取最高效率，將所有元器件集成在單個(gè)硅片中。MPQ8645P 采用散熱性能更強的TQFN(4mmx5mm)封裝，尺寸比使用獨立控制IC和功率級（不包括外部器件）的離散模擬解決方案小20-50%(見(jiàn)表1)。

 

表 1 芯片占板面積：MPS vs 離散模擬解決方案

 

MPQ8645P 可以最大限度地減少外部元器件的使用數量，簡(jiǎn)化電路圖和 PCB 布局指南(請見(jiàn)圖2)。僅需3步便可以完成電源基本設計工作。第一步，選擇合適的輸入輸出電容數量，滿(mǎn)足應用的電壓電流紋波要求。第二步，為應用挑選合適的電感，滿(mǎn)足總負載電流要求。第三步，將電阻從各自的引腳處接地，設置電流限和PMBus地址。其他功能和操作也可以通過(guò)PMBus進(jìn)行編程。由于 MPQ8645P 的高度集成性和極簡(jiǎn)的設計，其典型效率高達 85 - 95%。比如，在12V輸入至2.5V輸出的1MHz開(kāi)關(guān)頻率應用中，MPQ8645P的峰值效率可達95%。

 

圖 2: 單相工作時(shí)的MPQ8645P典型應用電路圖

 

并聯(lián)和均流工作

 

圖 3: 多相工作時(shí)的MPQ8645P典型應用電路

 

MPQ8645P還可為大功率應用提供一種簡(jiǎn)單的設計方法。圖三展示了多相工作時(shí)的 MPQ8645P 典型應用電路圖。它具有可擴展性，并且可以通過(guò)并聯(lián)方式滿(mǎn)足大負載電流需求。恒定導通時(shí)間控制模式可確保平衡負載電流的共享和匹配。在多相操作中，所有相位的ISUM引腳連接在一起，從每個(gè)相位收集有關(guān)ISUM的信息，并與平均電流進(jìn)行比較，以確定 TON 脈沖的持續時(shí)間。MP8Q8645P 可實(shí)現精確的電流匹配功能，每相誤差[AP1] [YT2]&nbsp室溫下的4相操作(請見(jiàn)圖4)。 (見(jiàn)圖 4).。這可以降低熱點(diǎn)的潛在風(fēng)險。MPQ8645P 可并聯(lián)高達8個(gè)IC，最多相位高達24個(gè)，可輕松支持最高720A的輸出電流。

 

圖 4: 4 相操作時(shí)，MPQ8645P 電流共享測量

 

系統監控/控制和調試/微調

 

與傳統的離散模擬解決方案相比，采用可兼容PMBus的電源IC具有諸多系統優(yōu)勢。它可以提供簡(jiǎn)單而靈活的配置、電路板和準確的系統控制，以及具體而精確的監控和遙測功能。

 

在傳統的離散模擬解決方案中，像輸出電壓、電流限值、開(kāi)關(guān)頻率和過(guò)流閾值這些參數通常需要一個(gè)或多個(gè)電阻來(lái)設置。應用中的任何變更或更新均需要通過(guò)實(shí)際物理部件的返工或變更來(lái)實(shí)現。這就意味著(zhù)每個(gè)應用程序都需含有一組不同的組件供工程師跟蹤。

 

MPQ8645P 僅需一套BOM就可支持各種不同的應用。如輸入/輸出電壓、輸入/輸出電流（每個(gè)相位和總相）、開(kāi)關(guān)頻率、故障保護以及更多其他參數均可通過(guò)PMBus來(lái)編程。而且還能動(dòng)態(tài)調節這些參數?？梢哉f(shuō)，MPQ8645P 讓電源芯片變得更加人性化。

 

MPQ8645P 同時(shí)還采用了內置可多次編程（MTP）芯片，用來(lái)存儲自定義配置。工程師可以在每個(gè)系統微調到特定的應用程序以后，保存和存儲所有調整的參數，以便快速修改參數，最大限度地減少物理硬件的更改。MPQ8645P 避免了潛在的重復勞動(dòng)，讓系統微調變得無(wú)障礙。

 

MPQ8645P 可兼容PMBus 1.3，具有監控能力，能夠讀取和報告實(shí)時(shí)信息（例如：電壓、電流、電源、溫度、開(kāi)關(guān)頻率和故障），從而全面了解電源的性能。這在測試和調試階段甚至系統部署期間都非常有用，工程師可以通過(guò)預測性分析優(yōu)化系統運行時(shí)間，并在需要修復時(shí)利用更多數據來(lái)最小化停機時(shí)間 。

 

結論

 

有源功率管理方法是實(shí)現系統內適應性水平的關(guān)鍵，這對于滿(mǎn)足不斷增長(cháng)的數據通信和網(wǎng)絡(luò )行業(yè)的能效需求至關(guān)重要。同時(shí)也成為系統架構師和工程師提供小尺寸和短設計周期新設計方式。MPS最新的PoL調節器-MPQ8645P可直接解決這些挑戰。采用 MPQ8645P 無(wú)需進(jìn)行元器件的選擇以及優(yōu)化和布局設計，大大縮短了總體設計和系統故障解決時(shí)間，最終加快了上市時(shí)間。

 

 

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