人們對高效電源的需求和電子產品尺寸的減小，推動著數字電源技術和功率管理技術的發展。現代化的功率管理半導體已經將功率開關與多個相關保護及控制電路集成在一起，來降低功率管理設備中的電路板占位面積，并實現了保護、控制與故障監控等功能的組合。同時，數字化電源管理集成電路不滿足于僅有的電壓、電流、溫度等參數的檢測，逐步發展為集成了數字化PWM 控制、ADC和通信功能，并正在向著成為完整的電源片上系統的方向不斷發展。
1 數字化電源管理技術介紹及應用
新一代集成電路需要3．3 V，1．8 V甚至更低的電源電壓，單個器件需要多路電壓供電，而且電流的需求很大，電壓也必須以正確的時序加到器件上。為這些器件供電的電壓必須在電路板上(最好在距離這些器件近的地方)產生，以使壓降最小和電壓穩定。高性能的DC／DC轉換器適用于寬范圍輸入，既可作為隔離式電源，也可作為非隔離負載點轉換器。因此，大多數板載電源系統已經采用DC／DC轉換模塊作為供電主體。但是，若缺少了電源管理電路，則無法構建一個完整、健全的電源系統。電源管理的內容包括：電源系統監控、定序和跟蹤、監視和失效保護。電源管理器件在輸入端處理共模抑制、起動限制、起動和關閉的控制，甚至功率因數校正等功能。配置在輸出端的電源管理器件控制啟動定序和輸出電壓調節，并為過欠壓、過流情況提供相應的失效保護。所有相關功能電路均要求與主電路隔離。圖1所示為在隔離型AC／DC變換器中電源管理器件的主要應用。
專用的數字電源管理器件比通常采用的模擬電路或微控制器、可編程邏輯器件等方法在成本、開發周期和可靠性方面具有較大優勢。新一代的數字電源管理器件內部集成了能夠滿足實時監控需求的快速ADC，使它能比通用微控制器的片外ADC更快地反映失效。監測數據通過I C或PMBus總線傳輸給電源主控制器，用以實現精準的調壓設置、故障保護等功能。內部的時鐘可實現故障記錄。對于多路輸出的電源系統，數字電源主控制器實時地通過總線接口從各輸出端的管理器件內讀出各路輸出的監測數據，實現了電源系統的全面監視。一旦軟件設計通過，相同的源文件和配置文件可以用于該設計的所有產品，性能在單元之間是一致的，而模擬電路則會因元件本身差異導致性能不一。
傳統的，依靠模擬電路實覡電源管理，通過放大器、比較器和RC時間延遲來設置各個參量的電源系統管理電路已經比不上數字化電源管理器件的優越性。隨著設計的深入，元器件不再隨著參量的改變而改變，電路板也不再需要反復重新加工。采用專門的數字電源管理器件，允許通過配置軟件來設置工作參量。設計期間的更改可以很容易地通過軟件實現，不需作硬件的改變。配置軟件只要求設計人員調節少數參量，當所有參數設置完畢后，可以通過I C端口用編程下載線下載到數字電源管理器件中。圖2為典型的電源管理器件的內部功能單元框圖。
除了專門的電源管理集成電路應用在電源系統的監控上以外，新一代集成電路也在自身的設計上，增加了減小功耗和部分功率管理方面的功能，提供了與數字電源、數字化電源管理器件的通信接口。這已經在較高檔的數字處理器上得到了體現。通過數字處理器和DC／DC變換器、數字電源管理單元之間的通信，處理器可以根據自身當前的處理速度和任務強度自動調節所需的電源電壓。數字電源和功率管理單元內部包含若干寄存器，當處理器所需要的電壓發生變化時，則通過總線接受新的數據來配置相關寄存器，或者在數字電源內部程序的查找表中找到相關設置值。此種方案在功耗要求嚴格的領域正成為主流應用。對于內部各部分供電分開的處理器，可將正處于待命或睡眠狀態的功能單元完全斷電，這將進一步減小功耗，但對于供電管理提出了更高的要求，不僅輸出端口增加，對不同端口的設置和監測將顯著增加數字電源管理單元內程序的復雜程度。處理器內部的硬件性能監視器則可以實現在特定時間內提供最低的供電電壓。監視器的信息直接來源于處理器內部，所以監視系統的閉環完全處在處理器芯片內部，實現了功率管理的SOC設計
2 PMBUS數字電源開放標準協議
PMBus(電源管理總線)開放標準規范定義了一個用來控制功率轉換和管理器件的數字通信協議。在供電要求較復雜的系統中，通常使用多個DC／DC轉換器來產生不同的半導體器件所需要的供電要求。導致一個明顯結果就是在產品設計、生產測試及日常使用的過程中，控制和監測這些電源將變得更加復雜。目前，許多高性能DC／DC轉換器仍然通過無源元件產生的模擬信號來進行控制。即使采用最先進的電源電路拓撲，也不得不使用外部的電位器和電容來調節諸如啟動時間、輸出電壓值及開關頻率等參數，而且這些參數不能隨時更改。
PMBus是一種開放型標準的數字電源管理協議。可通過定義傳輸和物理接口以及命令語言來實現變換器與其他設備的通信。PMBus的傳輸層是基于低成本的S us(系統管理總線)的1．1版本，這是個功能強健、符合工業現場應用標準的I C串行總線的版本，具有分組校驗和主機通知的功能。PMBus繼承了SMBus的SMBALERT信號，該信號可使從屬設備中斷系統主機對總線的控制，此方式一方面減少了系統主機的負擔，使主機在大多數時間內進行閉環控制；另一方面比用專門的微控制器來查詢的方式更靈活。此外，PMBus協議將從屬設備的默認配置數據保存在永久性存儲器內或者在硬件上設置好，在上電的過程中，不需通過總線通信來得到初始配置信息，縮短了啟動時間，也減少了一部分總線數據傳輸。除了SMBus的時鐘、數據及中斷線之外，PMBus協議還規定了兩種與電源轉換設備共同使用的硬件信號，一個是與總線發出的命令共同使用的控制信號，用于啟動和關閉單個從屬設備；另一個是可選的“寫保護”信號，用于防止更改從屬設備存儲器中的數據。與其他總線不同的是PMBus的主控設備不是專門的集成電路，這給進行電源管理的主控設備選型提供了靈活性。當電源系統比較龐大時，可以采用PC機配置相應的數據采集板卡來完成各種管理功能，而對于較小的電源系統則可以是單板上現成的微處理器、一些額外的低成本的微控制器或者是PLD器件中的一些門。在產品開發的不同階段，可以使用不同的設備作為PMBus的主機。在單板設計階段，一臺便攜式電腦可以作為總線主機；而在產品實際應用時，則使用板上主處理器中的一些硬件資源來控制PMBus總線。在開發階段，可以通過PMBus總線動態修改從屬設備中的設定值和配置，對于不同的電源系統，可以借鑒相同的PMBus總線配置，只需修改某些特定數據。最終通過測試的設定值和配置通過寫保護功能永久保存在從屬設備的存儲器之中。圖3所示為一個基于PMBus的數字電源管理典型連接結構圖。
PMBus的通信是按照一個簡單的命令集進行的。每個數據包包含一個地址字節、一個命令字節、若干個數據字節，以及一個可選的包檢驗碼字節。圖4所示為一個主機到轉換器的信息傳輸。主機使用單獨的“開始”和“停止”來表明進程開始和結束。而從屬設備則使用單獨的位來確認收到的每個字節。與其他總線協議不同的是，PMBus總線不會等待專門的“執行”命令，從屬設備在收到“停止”信號后，立即處理并執行命令，符合電源管理的快速性要求。由于在開發之初就考慮到其開放性和超前性，PMBus總線協議支持的指令集可以提供兩個命令的擴展，該擴展可以有效地允許雙字節命令。一個擴展留給PMBus設備的生產商，另一擴展則由于協議本身的后續升級和修訂。實際應用中，PMBus協議簡單實用的指令集使得電源管理程序的編寫更加快速、簡便。負載點轉換器的電壓時序控制的實現就是很好的例子。上電時序控制對應著有兩個PMBus命令，TON—DE—LAY命令設定了轉換器等待開始上電的時間，而TON RISE則設定了從零增加到設定輸出值的時間。所以，用戶可以通過相關軟件即可對每個轉換器的啟動延遲和上升時間進行設定。同樣，對于掉電時序控制，也有對應的掉電延遲命令TOFF_DELAY和下降時間TOFF—FALL設定。顯而易見，對于整個供電系統的啟動和掉電的時序控制通常只需要4個PMBus命令來設定。PMBus已經得到了業界的認可。
3 數字電源管理技術的展望
電源管理是當今熱門的電子技術，有關數字電源的PMBus控制協議、單片數字電源管理器和數字電源、分布電源拓撲等新產品、新拓撲和新解決方案等層出不窮，電源管理的市場在快速增長，伴隨著的是電源的數字化、小型化、集成化、高效化和智能化。可以預見的是，更高集成度和更多可編程性的電源管理半導體將會不斷應用在各種電源系統中。同時，符合PMBus的電源和轉換器也會不斷地涌現出來。隨著半導體器件集成度的提高和數字技術的不斷發展，數字化的電源控制與管理必將融合到同一硅片上來，集成了PWM 控制和完善的智能化管理功能的數字電源控制管理芯片必將給工程應用帶來極大的便利。 |
