电源设计：整合电源管理与转换 简化电源系统设计

当今，面向电信及数据通信市场的先进电子系统大量依赖于高性能、精细线度数字IC(FPGA、DSP和/或ASIC)快速有效地处理对时间敏感的数字数据。对更高带宽的需求已迫使这些数字IC的制造商追求领先的工艺技术，以便在将功耗降至最低时优化性能。但是，这一趋势也产生了前几代工艺中所没有的多种电源管理问题。降低内核电压电平提高负载电流，采用亚100纳米工艺技术实现的更小芯片尺寸使这些IC中的电流密度急剧增加。此外，分离的电压层与多核架构的使用还迫使系统设计人员提供更多的独特电压层，以及在这些电压之间提供特定的排序。外部电源管理IC已可提供，它们可解决这些高端系统所产生的一个或多个问题，但如何使这些IC与电源转换块无缝协作仍是一个亟待解决的问题，这经常需要多个分立元件并进行大量软件开发。

另一个棘手的问题来自难以预料的FPGA或ASIC最佳运行参数的变化。最终的特性结果有时会迫使设计人员在构建了初始硬件后更改他们的设计，从而导致他们在以下两个方面上很难做出决定：利用性能更低的产品抓住所需的市场商机，还是冒可能给予竞争对手上市时间优势的延误风险。根据所选的电源架构，这种更改可能如同以下情况那样复杂：需要额外电压域和新的排序，以及调整系统的热作业面(operating profile)，以确保在同一位置出现更高的总功耗时保持可靠性。

具有整合电源管理的负载点转换器有助于系统设计人员开发具有分布式智能的电源系统架构。这些架构具有更高的性能，而且比传统模拟电源架构更容易设计。这种智能电源系统还可使系统设计人员在研发周期后期快速适应系统要求变化，而且不会出现大量硬件再设计或重大的软件开发延迟问题，从而缩短了产品上市时间，并可使电源系统架构在具有不同电源要求的众多产品间轻松地进行再利用。PMBus实现了兼容性

为简化智能电源系统设计，我们必须首先提供大量兼容的电源产品，而且这些产品需要具有实施复杂电源管理功能所需的灵活性和智能，同时可减轻结合不同电源元件的负担。为满足这一要求，几家电源IC及电源模块公司创建了Power Management Bus(PMBus)，这是一个通过I2C或SMBus硬件接口提供的标准指令集。这种开放式标准指令集有助于电源元件制造商(IC及模块)提供兼容的产品。这些产品可轻松进行集成，以创建先前需要大量设计和定制软硬件的定制智能电源架构。此外，它还提供了标准PMBus命令，以支持多个电源管理功能，其中包括电压排序、边限、电压、电流及温度监控，以及广泛的故障管理。此外，每个PMBus命令必须由任何相一致的器件(无论制造商、外形或功率级如何)以同样方式加以解释，从而可轻松扩展简单的系统软件工作，以便包含所需数目的电源域。

表1说明了嵌入式电信设计的典型系统电源要求，以及与各种电源域相关的任何管理要求。电压与负载电流范围广，在整个工作电压范围内测试功能需要电压边限，每个器件的电压必须能够动态加以控制，以便在各种工作条件下优化性能。此外，还必须监控每个负载器件的电压、电流及温度，以便提供有关这些高性能、高价格 IC正常情况的准确反馈，并确保系统在指定的温度范围内运行。混合使用多种高密度逻辑IC还需要电压排序与跟踪的独特组合。为实现系统兼容性并将通过背板的输入电流降至最小，我们选择了12V的输入总线电压。这种设计一般涉及多个电源转换IC、多个外部电源管理IC及分立元件，以实施排序、跟踪、边限及监控功能。但通过使用可与PMBus兼容的产品，利用最少的独特电源转换IC及最少的器件间连接(如图1所示)即可轻松构建该系统。

对于更高的电流供应，我们选择了单相PMBus DC/DC控制器(ZL2005)，因为该控制器能够灵活地处理高达30A的负载电流，而且通过与多个器件并联，它还能够传输更高的负载电流。对于低电流(低于3A)供应，我们选择了具有整合MOSFET的PMBus DC/DC转换器(ZL2105)，因为其外形较小。每个器件中均整合了所有必需的电源管理功能，因此可非常轻松地根据每个设备的单独要求对它们进行配置，同时可将分立元件数减至最少，以及最大程度地减小与一般用于配置模拟电源IC的R/C网络相关的容差。此外，每个IC均整合了高度精确的温度传感器，从而使为特定负载IC供电的IC能够实时监控其温度。无需使用排序器进行排序

这些IC的众多独特功能之一是它们能够在无需外部排序器IC或软件开发的情况下实施确定性的排序算法。利用简单的引脚连接可设定每个IC的输出电压上升持续时间，并可对每个电源加以配置，使其在特定时间开始输出上升，或者跟随另一个系统电压的输出上升。通过将跟踪器件的VTRK引脚与将加以跟踪的电压相连，还可轻松配置电压跟踪;可使用相同引脚连接方法选择一致跟踪或比例跟踪。使用这种简单方案可快速配置整个系统排序顺序和/或跟踪比率，无需主机处理器或软件开发。图2显示了多个电压间排序与一致跟踪的最终组合。

适应系统要求的变化

当为高性能数字IC供电时，例如FPGA、DSP及ASIC，初始化硬件后电压与排序要求经常会发生变化。例如，在最初测试后，确定只有在第一次对逻辑电源加电或在FPGA内核供电前对FPGA I/O电源加电(与最初设计假设相反)时系统性能才能符合设计目标。使用传统电源管理IC实施这种更改将需要进行硬件及系统软件更改，从而会失去关键的市场机会。但使用支持PMBus的电源管理IC，这些更改可通过几个简单的PMBus命令重新配置排序来加以实施。系统修改仅限于非常简单的软件更改，无硬件更改，从而可使设计人员保持相同的项目期限。图3显示了已快速进行了重新配置的新排序。