【導(dǎo)讀】隨著效率優(yōu)化及高端處理器、FPGA和ASIC等復(fù)雜電源的需求呼聲越來越高,有源功率管理逐漸成為數(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)計要求。同時還希望電源設(shè)計工程師能夠不斷縮短開發(fā)周期,減小電路板尺寸。
由于PMBus 規(guī)格設(shè)計可以為檢測和控制功率管理設(shè)備提供平臺，因此面對有源功率管理設(shè)計時，工程師不得不圍繞 PMBus 規(guī)格進(jìn)行設(shè)計。同時考慮到尺寸限制，必須最大限度地減少元器件的使用數(shù)量。而MPS 最新推出的集成 PMBus 負(fù)載點（PoL）調(diào)節(jié)器MPQ8645P 便可以輕松解決這兩大挑戰(zhàn)。
系統(tǒng)設(shè)計挑戰(zhàn)
在服務(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)包含一個 AC/DC 前端，負(fù)責(zé)生成 48V 直流電。該直流電會被輸送至 DC/DC 變換器，在這里電壓被轉(zhuǎn)換成 12V 中間母線結(jié)構(gòu)。然后將 12V 母線電壓分配至板上多個負(fù)載點（PoL）變換器中，為芯片或子電路提供電源。但是大多數(shù)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(shù)百安培。且這些電壓軌對時序、電壓精度、裕量和檢測能力的設(shè)計要求非常嚴(yán)格。(見圖 1)
圖 1: 分布式電源架構(gòu)示例
在這一復(fù)雜系統(tǒng)中，有時可能存在50多個負(fù)載點（POL）電壓軌。系統(tǒng)架構(gòu)師和工程師需要設(shè)計出一種簡單的方式來管理這些電壓軌，包括輸出電壓、時序和最大允許電流。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，同時還需要上電/下電時序。只有采用簡單的方式來更改系統(tǒng)參數(shù)，優(yōu)化系統(tǒng)性能，并為每個DC/DC轉(zhuǎn)換器存儲特定的配置，才能簡化設(shè)計。
為滿足有源功率管理的增長需求，很多新系統(tǒng)設(shè)計轉(zhuǎn)向采用PMBus技術(shù)，因為其供電更加靈活。PMBus 可以簡化配置、時序以及電源檢測功能，同時還能測定和響應(yīng)警報及故障。最新的PMBus規(guī)格（1.3版本）介紹了自適應(yīng)電壓調(diào)節(jié)功能（AVS），該功能可以支持處理器自主降低時鐘頻率和電源電壓。這樣，當(dāng)輸出負(fù)載較輕時，它自己的功耗就會降到最低，從而顯著節(jié)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(shù)據(jù)量[AP1] [YT2] , 更強(qiáng)的輸出電壓跟蹤系統(tǒng)以報告[AP3] [YT4] 警報閾值，還有用于與高優(yōu)先級設(shè)備進(jìn)行高速通信的快速區(qū)域讀/寫功能，以及允許在更寬范圍內(nèi)實現(xiàn)更高精度的修訂數(shù)據(jù)格式。
一旦增加系統(tǒng)復(fù)雜性，縮短設(shè)計周期，設(shè)計資源會變得更加緊缺，主要取決于開發(fā)系統(tǒng)的關(guān)鍵知識產(chǎn)權(quán)。這通常意味著只能在開發(fā)后期才能關(guān)注電源。由于開發(fā)周期短，且電源設(shè)計專業(yè)知識有限，研發(fā)出尺寸小效率高的解決方案簡直是難上加難。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(shù)百安培應(yīng)用程序的傳統(tǒng)方式會采用離散模擬解決方案。離散模擬解決方案的構(gòu)建塊由一個控制器 IC 和一對外部 MOSFET 或一個驅(qū)動 MOSFET（DRMOS）IC 組成。這些部件采用適當(dāng)數(shù)量的輸入輸出電容和電感來實現(xiàn)基本的功率轉(zhuǎn)換要求。然而，最先進(jìn)的現(xiàn)代系統(tǒng)設(shè)計要求具有監(jiān)控、控制和獲取系統(tǒng)報告實時信息的能力。這些特性可以通過添加更多的外部組件來實現(xiàn)，例如電壓監(jiān)測儀、溫度傳感器、模數(shù)轉(zhuǎn)換器（ADC）和數(shù)模轉(zhuǎn)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(xiàn)代系統(tǒng)設(shè)計理念相悖。
與傳統(tǒng)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(wěn)壓器，可兼容 PMBus 接口，其單相電流傳輸能力高達(dá) 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硅片中。MPQ8645P 采用散熱性能更強(qiáng)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(shù)量，簡化電路圖和 PCB 布局指南(請見圖2)。僅需3步便可以完成電源基本設(shè)計工作。第一步，選擇合適的輸入輸出電容數(shù)量，滿足應(yīng)用的電壓電流紋波要求。第二步，為應(yīng)用挑選合適的電感，滿足總負(fù)載電流要求。第三步，將電阻從各自的引腳處接地，設(shè)置電流限和PMBus地址。其他功能和操作也可以通過PMBus進(jìn)行編程。由于 MPQ8645P 的高度集成性和極簡的設(shè)計，其典型效率高達(dá) 85 - 95%。比如，在12V輸入至2.5V輸出的1MHz開關(guān)頻率應(yīng)用中，MPQ8645P的峰值效率可達(dá)95%。
圖 2: 單相工作時的MPQ8645P典型應(yīng)用電路圖
并聯(lián)和均流工作
圖 3: 多相工作時的MPQ8645P典型應(yīng)用電路
MPQ8645P還可為大功率應(yīng)用提供一種簡單的設(shè)計方法。圖三展示了多相工作時的 MPQ8645P 典型應(yīng)用電路圖。它具有可擴(kuò)展性，并且可以通過并聯(lián)方式滿足大負(fù)載電流需求。恒定導(dǎo)通時間控制模式可確保平衡負(fù)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(xù)時間。MP8Q8645P 可實現(xiàn)精確的電流匹配功能，每相誤差[AP1] [YT2] 室溫下的4相操作(請見圖4)。 (見圖 4).。這可以降低熱點的潛在風(fēng)險。MPQ8645P 可并聯(lián)高達(dá)8個IC，最多相位高達(dá)24個，可輕松支持最高720A的輸出電流。
圖 4: 4 相操作時，MPQ8645P 電流共享測量
系統(tǒng)監(jiān)控/控制和調(diào)試/微調(diào)
與傳統(tǒng)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(tǒng)優(yōu)勢。它可以提供簡單而靈活的配置、電路板和準(zhǔn)確的系統(tǒng)控制，以及具體而精確的監(jiān)控和遙測功能。
在傳統(tǒng)的離散模擬解決方案中，像輸出電壓、電流限值、開關(guān)頻率和過流閾值這些參數(shù)通常需要一個或多個電阻來設(shè)置。應(yīng)用中的任何變更或更新均需要通過實際物理部件的返工或變更來實現(xiàn)。這就意味著每個應(yīng)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(yīng)用。如輸入/輸出電壓、輸入/輸出電流（每個相位和總相）、開關(guān)頻率、故障保護(hù)以及更多其他參數(shù)均可通過PMBus來編程。而且還能動態(tài)調(diào)節(jié)這些參數(shù)。可以說，MPQ8645P 讓電源芯片變得更加人性化。
MPQ8645P 同時還采用了內(nèi)置可多次編程（MTP）芯片，用來存儲自定義配置。工程師可以在每個系統(tǒng)微調(diào)到特定的應(yīng)用程序以后，保存和存儲所有調(diào)整的參數(shù)，以便快速修改參數(shù)，最大限度地減少物理硬件的更改。MPQ8645P 避免了潛在的重復(fù)勞動，讓系統(tǒng)微調(diào)變得無障礙。
MPQ8645P 可兼容PMBus 1.3，具有監(jiān)控能力，能夠讀取和報告實時信息（例如：電壓、電流、電源、溫度、開關(guān)頻率和故障），從而全面了解電源的性能。這在測試和調(diào)試階段甚至系統(tǒng)部署期間都非常有用，工程師可以通過預(yù)測性分析優(yōu)化系統(tǒng)運(yùn)行時間，并在需要修復(fù)時利用更多數(shù)據(jù)來最小化停機(jī)時間 。
結(jié)論
有源功率管理方法是實現(xiàn)系統(tǒng)內(nèi)適應(yīng)性水平的關(guān)鍵，這對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。同時也成為系統(tǒng)架構(gòu)師和工程師提供小尺寸和短設(shè)計周期新設(shè)計方式。MPS最新的PoL調(diào)節(jié)器-MPQ8645P可直接解決這些挑戰(zhàn)。采用 MPQ8645P 無需進(jìn)行元器件的選擇以及優(yōu)化和布局設(shè)計，大大縮短了總體設(shè)計和系統(tǒng)故障解決時間，最終加快了上市時間。
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