【導(dǎo)讀】優(yōu)化效率和解決高端處理器、FPGA 和 ASIC 的復(fù)雜電源要求的需要使得有源電源管理成為數(shù)據(jù)中心服務(wù)器、電信系統(tǒng)和網(wǎng)絡(luò)設(shè)備應(yīng)用中的關(guān)鍵設(shè)計(jì)要求。同時(shí)，設(shè)計(jì)電源方案的工程師需要限度地減少電路板空間，同時(shí)縮短從初始概念到終產(chǎn)品的開發(fā)時(shí)間。
優(yōu)化效率和解決高端處理器、FPGA 和 ASIC 的復(fù)雜電源要求的需要使得有源電源管理成為數(shù)據(jù)中心服務(wù)器、電信系統(tǒng)和網(wǎng)絡(luò)設(shè)備應(yīng)用中的關(guān)鍵設(shè)計(jì)要求。同時(shí)，設(shè)計(jì)電源方案的工程師需要限度地減少電路板空間，同時(shí)縮短從初始概念到終產(chǎn)品的開發(fā)時(shí)間。
為了應(yīng)對(duì)主動(dòng)電源管理的挑戰(zhàn)，工程師現(xiàn)在必須考慮圍繞 PMBus 規(guī)范構(gòu)建的解決方案，該規(guī)范提供了一個(gè)用于監(jiān)視和控制電源管理設(shè)備的平臺(tái)。為了解決空間限制問題，必須實(shí)施組件數(shù)量少的解決方案。MPQ8645P 是 Monolithic Power Systems (MPS) 集成 PMBus 的負(fù)載點(diǎn) (PoL) 穩(wěn)壓器，為工程師提供了一種方法來應(yīng)對(duì)這兩組系統(tǒng)設(shè)計(jì)挑戰(zhàn)。
系統(tǒng)設(shè)計(jì)挑戰(zhàn)
服務(wù)器、電信和網(wǎng)絡(luò)基礎(chǔ)設(shè)施中使用的典型電源架構(gòu)包括一個(gè) AC/DC 前端，負(fù)責(zé)生成 48V 的直流電壓。該 48V 電壓被饋入 DC/DC 轉(zhuǎn)換器，為 12V 中間總線架構(gòu) (IBA) 供電。然后，這個(gè) 12V 電壓被分配到電路板上的多個(gè) PoL 轉(zhuǎn)換器，為 IC 或子電路供電。這些 IC 或子電路中的大多數(shù)都需要在低于 1V 至 3.3V 的電壓范圍內(nèi)以及數(shù)十毫安至數(shù)百安培的電流范圍內(nèi)工作。這些電源軌通常對(duì)時(shí)序、電壓精度、裕量和監(jiān)控有嚴(yán)格的設(shè)計(jì)要求（圖 1）。
圖 1分布式電源架構(gòu)示例
在一個(gè)復(fù)雜的系統(tǒng)中，可能有多達(dá) 50 個(gè) PoL 電壓軌。系統(tǒng)架構(gòu)師和工程師需要一種簡單的方法來管理這些電源軌的輸出電壓、時(shí)序和允許電流。某些處理器要求 I/O 電壓在電壓之前上電。或者，某些 ASIC 需要電壓在 I/O 電壓之前上電。上電和斷電排序也是必要的。必須有一種簡單的方法來實(shí)施更改以優(yōu)化系統(tǒng)性能，并為每個(gè) DC/DC 轉(zhuǎn)換器存儲(chǔ)特定配置，以簡化設(shè)計(jì)工作。
為了滿足對(duì)主動(dòng)電源管理不斷增長的需求，許多新的系統(tǒng)設(shè)計(jì)已轉(zhuǎn)向采用 PMBus 技術(shù)，因?yàn)樗试S電源具有更大的靈活性。PMBus 簡化了電源的配置、排序和監(jiān)控，同時(shí)確定警告和故障并做出反應(yīng)。的 PMBus 規(guī)范（1.3 版）引入了自適應(yīng)電壓縮放 (AVS)，它支持處理器降低其時(shí)鐘頻率并自主降低電源電壓的能力。這在輸出負(fù)載較輕時(shí)將自身功耗降至，從而實(shí)現(xiàn)顯著的省電效果。PMBus 1.3 版提供了許多進(jìn)一步的改進(jìn)，例如更快的 PMBus 速度以提高數(shù)據(jù)吞吐量，增強(qiáng)輸出電壓跟蹤以通知警告閾值，
隨著系統(tǒng)復(fù)雜度的增加和設(shè)計(jì)周期的縮短，設(shè)計(jì)資源變得捉襟見肘，因此資源分配主要集中在開發(fā)系統(tǒng)的關(guān)鍵知識(shí)產(chǎn)權(quán)上。這通常意味著必須將電源擱置一旁，直到開發(fā)周期的后期。由于時(shí)間有限，而且電源設(shè)計(jì)知識(shí)可能有限，因此存在開發(fā)占地面積盡可能小的高效解決方案的壓力。不斷縮小的電路板面積需求導(dǎo)致利用 PCB 底面來化電路板的空間，但在某些情況下這可能不是一種選擇。理想的解決方案是外形小巧的完整電源。
處理范圍從幾十毫安到幾百安的應(yīng)用的傳統(tǒng)方法是分立式模擬解決方案。分立模擬解決方案的構(gòu)建塊包括一個(gè)控制器 IC 和一對(duì)外部 MOSFET 或驅(qū)動(dòng)器 MOSFET (DrMOS) IC。這些組件使用適當(dāng)數(shù)量的輸入和輸出電容器以及適當(dāng)?shù)碾姼衅鲗?shí)現(xiàn)，可以滿足基本的電源轉(zhuǎn)換要求。然而，大多數(shù)復(fù)雜的現(xiàn)代系統(tǒng)設(shè)計(jì)都需要監(jiān)視、控制和獲取系統(tǒng)的實(shí)時(shí)信息的能力。這些功能可以通過添加更多外部組件來實(shí)現(xiàn)，例如電壓監(jiān)控器、溫度傳感器、模數(shù)轉(zhuǎn)換器 (ADC) 和數(shù)模轉(zhuǎn)換器 (DAC)。這不僅增加了成本，
與傳統(tǒng)的分立模擬解決方案不同，MPS 實(shí)施單片解決方案。MPQ8645P 是一款帶 PMBus 接口的 16V 降壓穩(wěn)壓器，可在單相操作中提供 30A 電流，利用同步整流實(shí)現(xiàn)效率，所有這些都在單個(gè)硅芯片上完成。它采用耐熱增強(qiáng)型 TQFN (4×5mm) 封裝。MPQ8645P 比使用單獨(dú)的控制器 IC 和功率級(jí)（不包括外部組件）的分立模擬解決方案小約 20-50%（表 1）。
表 1 MPS 的 IC 面積與分立模擬解決方案
該 IC 需要少數(shù)量的外部元件來簡化原理圖和 PCB 布局（圖 2）。電源的基礎(chǔ)設(shè)計(jì)可以分三步完成：
首先，選擇適當(dāng)數(shù)量的輸入和輸出電容器以滿足應(yīng)用的電壓和電流紋波要求。
其次，選擇合適的電感來滿足應(yīng)用的總負(fù)載電流需求。
第三，通過在它們各自的引腳和地之間放置一個(gè)電阻來編程電流限制和 PMBus 地址。
其余功能和操作可通過 PMBus 解決。由于其高度集成和簡單的設(shè)計(jì)，穩(wěn)壓器可以實(shí)現(xiàn) 85 – 95% 的典型效率。例如，對(duì)于 1MHz 開關(guān)頻率應(yīng)用中的 12Vin 至 2.5Vout，該 IC 的峰值效率高達(dá) 95%。
圖2 MPQ8645P單相工作典型應(yīng)用電路
并聯(lián)運(yùn)行和均流
圖 3 MPQ86459P 在多相操作中的典型應(yīng)用
該穩(wěn)壓器還提供了一種處理大功率應(yīng)用的簡單方法。圖 3顯示了 IC 在多相操作中的典型應(yīng)用。它具有可擴(kuò)展性，可以并聯(lián)以滿足高負(fù)載電流需求。恒定導(dǎo)通時(shí)間 (COT) 控制模式架構(gòu)可確保均衡的負(fù)載電流共享和匹配。在多相操作中，所有相的 ISUM 引腳連接在一起。ISUM 的信息是從每個(gè)相位收集的，并與平均電流進(jìn)行比較以確定 TON 脈沖的持續(xù)時(shí)間。穩(wěn)壓器可以實(shí)現(xiàn)的電流匹配，在 4 相操作的室溫下每相之間的誤差 <2%（圖 4). 這減輕了熱點(diǎn)的可能性。MPQ8645P多可并聯(lián)8顆IC，相數(shù)可增加至24相，輕松支持720A的輸出電流。
圖 4 MPQ8645P 在 4 相操作中的均流測量
系統(tǒng)監(jiān)測/控制和調(diào)試/微調(diào)
使用兼容 PMBus 的電源 IC 比傳統(tǒng)的分立模擬解決方案方法具有許多系統(tǒng)優(yōu)勢。它們提供輕松靈活的配置、廣泛而準(zhǔn)確的系統(tǒng)控制以及詳細(xì)而的監(jiān)控和遙測。
在傳統(tǒng)的分立模擬解決方案中，輸出電壓、電流限制、開關(guān)頻率和過流閾值等參數(shù)通常通過一個(gè)或多個(gè)電阻器設(shè)置。對(duì)應(yīng)用程序所做的任何更改或更新都需要對(duì)實(shí)際物理組件進(jìn)行返工。這意味著每個(gè)應(yīng)用程序都有一組不同的組件供工程師跟蹤。
只需一份物料清單 (BOM)，穩(wěn)壓器即可支持多種應(yīng)用。輸入/輸出電壓、輸入/輸出電流（每相和總電流）、開關(guān)頻率、故障保護(hù)等參數(shù)可通過 PMBus 編程。這些參數(shù)的調(diào)整可以動(dòng)態(tài)改變。該 IC 可以根據(jù)手頭的需要調(diào)整電源的運(yùn)行。
該穩(wěn)壓器還使用內(nèi)置的多次編程 (MTP) 單元來存儲(chǔ)自定義配置。每次系統(tǒng)針對(duì)特定應(yīng)用進(jìn)行微調(diào)后，工程師可以保存和存儲(chǔ)所有調(diào)整后的參數(shù)。這允許快速修改并限度地減少物理硬件更改。該 IC 消除了重復(fù)性和潛在的密集型勞動(dòng)活動(dòng)，使系統(tǒng)微調(diào)變得無憂無慮。
該穩(wěn)壓器符合 PMBus 1.3 標(biāo)準(zhǔn)并具有監(jiān)控功能。讀取和實(shí)時(shí)信息（例如：電壓、電流、功率、溫度、開關(guān)頻率和故障）的能力可以全面了解電源的性能。這在測試和調(diào)試階段甚至系統(tǒng)部署期間非常有用，因?yàn)樗构こ處熌軌蛲ㄟ^預(yù)測分析優(yōu)化系統(tǒng)運(yùn)行時(shí)間，并在需要維修時(shí)通過獲取更多數(shù)據(jù)限度地減少停機(jī)時(shí)間。
結(jié)論
主動(dòng)電源管理是實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)內(nèi)適應(yīng)性水平的關(guān)鍵，這對(duì)于滿足不斷增長的數(shù)據(jù)通信和網(wǎng)絡(luò)行業(yè)的能效需求至關(guān)重要。這也是系統(tǒng)架構(gòu)師和工程師能夠在空間受限和周轉(zhuǎn)時(shí)間緊迫的情況下交付新設(shè)計(jì)的方式。MPS 的 PoL 調(diào)節(jié)器是應(yīng)對(duì)這些挑戰(zhàn)的直接解決方案。有了穩(wěn)壓器，元件選擇、優(yōu)化和布局的設(shè)計(jì)負(fù)擔(dān)就消除了，縮短了整體設(shè)計(jì)時(shí)間、系統(tǒng)故障排除，并終縮短了上市時(shí)間。
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