電源架構(gòu)和電源管理總線

人們需要高效率、低功耗、符合能效規(guī)范的電子設(shè)備，需要更高性能、更小形狀因數(shù)的無線系統(tǒng)，這為電源和電源管理設(shè)計提出巨大的排戰(zhàn)。設(shè)計人員要為各種DSP、MCU、FPGA、ASIC、音頻/視頻和顯示電路提供多電壓、更大電流、更高效率、更低功耗、更低噪聲、更小形狀因數(shù)的電源和電源管理。為此出現(xiàn)了各種各樣的電源架構(gòu)來滿足變化的電源管理要求。

分布式電源架構(gòu)

分布式電源架構(gòu)（Distributed Power Architecture,PDA）是基站用的第一代電源架構(gòu)。PDA的一個實例示于圖1。這種電源架構(gòu)對每個電壓軌用隔離（磚式）電源模塊提供。當電壓軌有限時，PDA工作良好，但每增加1個電壓軌，其成本和PCB面積都顯著增加。電壓軌時序也是困難的，需要增加外部電路來解決電壓軌時序，這也會增加成本和板面積。

圖1 典型的DPA架構(gòu)

中間總線架構(gòu)

為了克服DPA尺寸大和成本高的缺點，第二代系統(tǒng)采用中間總線（Intermediate Bus Architecture,IBA）架構(gòu)。中間總線架構(gòu)有固定電壓（fixed voltage）IBA，非穩(wěn)壓(unregulated)IBA和準穩(wěn)壓（Quasi-regulated）IBA幾種架構(gòu)。圖2所示的固定電壓IBA采用單個隔離磚式電源模塊和很多非隔離負載點（Pol）DC/DC變換器。Pol可以是電源模塊（如TI公司的PTH系列），也可以是分立的降壓變換器。隔音變換器的輸入電壓范圍（36~75V或18~36V）與第一代相同。它所產(chǎn)生的中間總線電壓穩(wěn)定到3.3V，5V或12V。中間總線電壓選擇取決于系統(tǒng)設(shè)計師。這種設(shè)計的好處是：較小的PCB面積、較低的成本和較容易的電壓時序（由于有自動跟蹤特性）。這種電源架構(gòu)使效率降低，每個電壓需要兩次變換。

圖2 固定電壓中間總線架構(gòu)

為了滿足微小區(qū)基站設(shè)計對高效率和小占位面積的要求，需增加隔離變換器效率，使其工作在固定占空比和不穩(wěn)壓輸出，這就是非穩(wěn)壓中間總線結(jié)構(gòu)。這種結(jié)構(gòu)采用非穩(wěn)壓總線變換器，其輸出電壓是輸入電壓之比（例如TI公司ALD17  5：1變換器產(chǎn)生的輸出電壓是輸入電壓的五分之一）。用這種技術(shù)設(shè)計的150W系統(tǒng)的第一變換級用十六分之一磚式變換器效率可達96%。這種架構(gòu)的限制是總線變換器的最大輸入電壓范圍是36~55V。Pol的輸入電壓必須小于12V，才能使Pol產(chǎn)生1V或小于1V的輸出電壓。

為了滿足一些無線供應商堅持要保持36~75V傳統(tǒng)寬輸入電壓規(guī)格的要求，電源供應商推出準穩(wěn)壓IBA。這種架構(gòu)與非穩(wěn)壓IBA的主要差別是在輸入電壓超過55~60V范圍，其輸出電壓穩(wěn)定到10V左右。這種架構(gòu)的缺點是隔離電源模塊必須增大尺寸來實現(xiàn)穩(wěn)壓電路和在55V以上效率降低。

分比式電源架構(gòu)

分比式電源架構(gòu)(Factorized Power Architecture,FPA)采用3個靈活的單元來重新規(guī)定每個變換級的范圍，使得電源密度和效率都比較高。第1個單元是總線變換器模塊（BCM），這是1個窄范圍輸入、非穩(wěn)壓、高效率總線變換器，它采用ZCS-ZVS正弦幅度變換器（SAC）提供隔離和電壓變換。有高電壓（高達384V）和中電壓（48V）輸入兩個版本。FPA的第2個單元是預調(diào)器模塊（PRM），這是1個高效率升壓一降壓變換器。FPA的第3個單元是電壓變換模塊（VTM），它與PRM組合在一起提供低電壓輸出（如需要可低到0.82V）。FPA單元為電源系統(tǒng)設(shè)計提供更大的靈活性、伸縮性和更高的效率（圖3）。就尺寸而言，工作在3.5MHz有效頻率的SAC，對于高電源變換在小封裝中采用平面磁性元件，這種結(jié)構(gòu)使功率密度大于1000W/in3。

圖3 FPA系統(tǒng)（效率和尺寸）

新一代SoC電源管理

APC（先進的電源管制器）靠動態(tài)或表態(tài)管理電源電壓和漏電流，使SoC（系統(tǒng)芯片）能耗最佳化。采用兩種技術(shù)：DVS（Danamic Voltage Scalling）和AVS（Adaptive Voltage Scalling）來管理SoC電源電壓。APC適用兩個軟IP版本：APC1和APC2。APC1設(shè)計用于單SoC；APC2設(shè)計用更復雜SoC電源管理架構(gòu)，支持個并行電壓和時鐘。APC2在內(nèi)部共享電壓域時具有控制多個獨立時鐘域的能力，這種能力特別重要，這可允許低功率工作。PWI2.0總線接口可使APC2連接到多個外設(shè)器件或另外SoC。圖4示出采用APC2的雙域SoC系統(tǒng)架構(gòu)。SoC由兩個主要邏輯單元（硬件加速器和CPU）組成。在每個電壓域內(nèi)有1個用于AVS控制的硬件性能監(jiān)控器（HPM）。時鐘管理單元為電壓域和HPMs提供時鐘信號。APC的4個主要功能單元示于APC2單元內(nèi)?？刂七壿媶卧峁┲鹘涌冢ˋMBA-APB）、CMU接口和中斷管理服務。環(huán)路控制器管理AVS模式中的電壓縮放。為DVS支持提供每個電壓的頻率—電壓表。PWI2.0主機連接SoC到PMIC和其他外設(shè)。

圖4 采用APC2的雙域SoC系統(tǒng)架構(gòu)

電源管理總線

電源管理總線PMBus為控制電源變換和管理器件規(guī)定了數(shù)字通信協(xié)議。采用PMBus，根據(jù)標準命令集可以配置、監(jiān)控和操作電源變換器。用PMBus命令，設(shè)計師可以設(shè)置電源的工作參量、監(jiān)控電源的工作和根據(jù)失效和報警執(zhí)行正確的測量。

實現(xiàn)PMBus規(guī)范，要求電源和有關(guān)IC設(shè)計遵守其所要求的接口命令。SMBus提供主計算機或系統(tǒng)管理器與PMBus依從器件之間的串行通信（圖5）。圖5所示系統(tǒng)可以是：通用微控制器，ASIC，系統(tǒng)操作處理器，F(xiàn)PGA中的備用門，自動測試設(shè)備。PMBus器件可以是：Pol模塊，PWM控制器IC，集成FET DC-DC變換器，磚式隔離DC-DC變換器，AC-DC變換器。

PMBus協(xié)議允許多源電源管理產(chǎn)品。通過標準命令集OEM能夠控制PMBus依從的電源變換器。PMBus規(guī)范有兩部分：Part1包括通用要求，這部分也規(guī)定了硬件信號傳輸和電氣接口以及定時要求；Part Ⅱ規(guī)定了用在PMBus中命令語言。

為了遵守PMBus規(guī)范，器件必須滿足下列條件：

·器件必須滿足PMBus規(guī)范PartI的所有要求；

·器件至少支持由PMBus規(guī)范PartⅡ規(guī)定的一個非制造商專門命令；

·若器件接受PMBus命令碼，則它必須執(zhí)行PMBus規(guī)范PartⅡ所描述的功能；

·若器件不能接受給定的PMBus命令碼，則它必須響應PMBus規(guī)范PartⅡ所描述的失效管理和報告；

·根據(jù)電源應用，PMBus器件隨著內(nèi)部或外部編程必須在控制狀態(tài)下起動和開始工作。

圖5 PMBus Version 1.1可管理AC-DC和DC-DC電源

PMBus協(xié)議覆蓋廣泛的電源系統(tǒng)架構(gòu)和變換器。協(xié)議包括編程電源變換器件失效或報警的能力。對于失效條件，可以編程PMBus器件以立即判斷，閉鎖和重試或關(guān)機前繼續(xù)工作一特定延遲時間來做出響應。

PMBus與Power-One的Z-One架構(gòu)（圖6）的主要差別是分配電源管理任務的方法不同。Z-One分開固件使能DPM（數(shù)字電源管理器和Pol基DPWM（數(shù)字脈寬調(diào)制器）IC之間的電源管理任務。PMBus要求設(shè)計師根據(jù)PMBus協(xié)議編程計算機，其中很多信息存在系統(tǒng)控制器中。它們之間的另一個差別是Z-One系統(tǒng)僅僅適合DC-DC變換器工作，而PMBus適合DC-DC和AC-DC變換器。

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圖6 Z-One數(shù)字電源系統(tǒng)