爱立信数字电源技术解决方案

爱立信数字电源技术中心议题：

• 数字可配置性为生命周期带来益处
• PMBus™ 是一种关键的业务引擎

爱立信数字电源技术解决方案：

• 数字电路实施电源转换器内部控制环路
• 监测和控制数字式输入/输出电路

经过数十年的孕育，数字电源控制技术与模拟电源控制技术相形之下的优势，得到越来越多的设计师们的青睐，因此该技术正迅速占领市场份额。尽管如今的经济形势更具不确定性，但2009年8月，电源行业的分析师依然预测数字电源在今后五年将获得近20%的复合年增长率，而且这一数字从某种程度上还是算悲观的——12个月前同样一群分析师们曾认为45%的增长率更为确切。撇开预测的准确性不说，任何技术要想获得快速认可和可持续发展，关键在于以有竞争力的成本交付实实在在的益处。

许多设计师都已经发现，数字电源控制和数字电源管理的结合，代表了整体能力上真实、性价比高的阶跃变化，超出了人们对常规演化的预料。这里，数字电源控制指的是通过数字电路而非熟悉的模拟电路来实施电源转换器的内部控制环路。对于一个简单的buck转换器来说，这意味着用模拟转数字转换器来替代传统误差反馈信号放大器，同时对使用数字信号处理技术推动电源开关的脉宽调制器进行纠正，从而取代电压基准、斜坡发生器和比较器。——图1


图1  带有显示部分器件的功率传递的模拟和数字控制系统的比较框图

相比之下，数字电源管理意味着对通过数字式输入/输出电路来联通的电路进行监测和控制，而这种电路如今几乎一直使用业已成为电源行业规范的PMBus™接口。结合了这两种数字电源概念的转换器可以主动地管理其转换过程，从而在转换线路和负载条件变化的时候优化效率，同时将所有电源管理系统都纳入同一封装——图2。
 
图2  数字控制的，符合输入/输出PMBus接口标准的高级中间母线转换器BMR453

[p]
数字可配置性为生命周期带来益处

然而数字电源不只改善电气性能和功率密度要求等曾主导了电源设计师们思维的因素。基本上，这种性能之所以得以改进，就是因为数字控制环路能够调整其动态、从而以最佳状态适应实时的线路和负载条件；相比之下，无源元器件设定了一个模拟转换器的响应，这些响应无可避免地成为稳定性和对于其操作条件的动态响应之间的折中。但是在开发其“3E”概念，即重视性能、能源管理和最终用户价值的同时，爱立信认识到，数字电源带来的益处可贯穿产品的生命周期。

由于数字转换器的核心是一种混合信号的IC，所以可以以微不足道的额外成本，将监测和控制硬件连同其PMBus接口封装在同一片芯片上。这种方式优化了转换器核心与其控制系统之间的电耦合，减少了功率损耗，并通过基于模拟技术的解决方案，大幅度缩减了PCB为容纳等效功能设计而必要的空间——图3。非常重要的是，现在，当数字转换器最初制成时、在电源系统设计师应用程序的开发阶段、在分销商的仓库、当设备被生产出来时，以及/或者当它在最终用户的设备中运行时，就可以对数字转换器进行配置了。这种无可媲美的灵活度，使得可编程的逻辑模型第一次得以延伸到电源转换器行业。

图3  高度集成的功能性节约了电路板空间，提高了效率和可靠性

每一个3E家族电源转换器都提供一系列可编程参数，包括进行输出电压值选定、打开/关闭延迟时间从而为多路负载进行上电时序控制、通过对上电斜率的控制以提供浪涌电流保护、为系统测试提供电压裕量，以及关于过流、过温、过/欠压等告警和故障情况的多重回差值设定。甚至可以通过调节数字转换器控制环路的响应来优化特定负载和输出电容条件下数字转换器的性能。图 4 显示了微调一些常量的结果，这些常量设定了3E负载点调节器的控制环路响应，从而优化既定环境中的瞬态响应。这是通过持续调节反馈环回内的模拟转换器电阻和电容的值，从而用数字方式在该模拟转换器上移动极点和零点——在实际操作中这是难以想象的。
 
图4  通过重新编程数字电源转换器的控制环路常数，可以优化它在既定操作环境下的动态性能

[p]
PMBus™ 是一种关键的业务引擎

在产品评估和开发阶段，PMBus可能是无价之宝。这里，控制兼容PMBus接口的单板电源管理器可能是一台通过合适的适配器连接到原型电路板的个人电脑。由于PMBus的物理层依赖于SMBus（这是基于I2C总线而开发的），因此PMBus通常局限于电路板区域，让设计师们可以自由选择背板连接性。图 5 显示了大概的电路图。

图5  PMBus可以方便得对兼容的电源系统器件进行监测和控制，例如3E产品家族

为了能让开发的产品能马上使用，爱立信开发了一种与个人电脑兼容的3E产品评估套件，其中包括USB到PMBus 适配器和驱动软件，它们取代了图中的板级电源管理器。个人电脑和套件应用程序随后就充当系统主机和用户界面的角色。这样就可以通过极为迅速的方式对输出电压设置、上电时序设定、电压容限以及故障处理等参数进行试验，而不需要对接受检测的电路板进行硬件更换。如果设计师对设置满意，应用软件就可以为每一个3E产品保存一份配置文件，留作日后使用。图 6显示了软件在单个装置配置屏幕上展示的部分选项。

图6  3E图形用户界面软件极大地简化了产品的参数配置

虽然客户可能对具体配置有要求，但爱立信大多数情况下通常交付的是3E元件，这些都是通过体现转换器典型应用纲要的缺省配置来预先编程的。举例来说，用户可能会订购一个负载点调节器，例如额定20A的BMR450，预先设定为1.0、 3.3、5.0或5.5 VDC——图 7。

图7  20A符合输入/输出PMBus，并采用数字控制的负载点BMR450

[p]
接下来就可以通过PMBus对该装置进行重新编程，从而达到0.6到5.5VDC级别，分辨率为1Mv（同样可以通过一个电阻在25步长的范围内将产品的输出电压设置在0.7到5.0VDC范围之间）。这样一来，一个产品就能覆盖一系列的输出电压，从而通过减少产品的硬件数量来减少库存并简化物流管理。值得注意的还有，BMR450及其40A的同伴BMR451图 8可以共享一个PCB布线，从而允许设计师们随着系统电源需要的演变而交换转换器——图 9。对于所有3E家族的电源转换器来说，都有类似的好处。

图8  40A 符合输入/输出PMBus的，并采用数字控制的负载点BMR451


图9  爱立信3E负载点调节器的封装布线是可以缩放的。单个PCB布线可以容纳不同类产品以提高灵活性

如果输出电压或任何其它可编程参数有必要进行一次性的改动，那么电路板生产的ATE阶段是进行改动的合理时机。或者，一个分销商也可提供编程服务。假设有一个简单的最终用户应用程序，比如升级某个模拟设计，那么目标电路板上就可以免除电路板电源管理逻辑电路。然而将整个PMBus连接性包括进来，可为电源系统设计师们大大增加可选项目。由于PMBus仅需要四个元件，而一个低成本的微控制器就可轻松地容纳电路板电源管理逻辑，所以这种方式很值得考虑。

[p]
PMBus连接性的实施，使得系统主机能够在设备整个生命周期中监控每个与PMBus兼容的装置。这种数据收集能力取决于系统监测软件的复杂性，或许为能源成本分析、根本诱因故障分析奠定基础，或者满足其它用户指定的功能。它或许可以有助于避免系统故障。例如，如果监测软件监测到某个特定装置出现一种异乎寻常的告警条件的图像，就可以在该可疑装置发生故障之前设法将其排除出工作回路。类似的，如果电源转换器的输出电压随时间推移或因较大温差而发生漂移，那么监测软件可以将该装置调回正常的在规格范围内的值。

监控某个电路板的功率消耗还可节约能源，因为监控软件可以智能化地变换中间母线转换器供应给负载点调节器的输出电压。几乎所有电源转换器在轻载的情况下一般效率偏低，所以对高级母线转换器电压输出进行重新编程，比如从12VDC降到9VDC，就可以在负载点调节器以轻负载运行的同时减少功率损耗。——图10。如果需要更多功率，监控软件就会随着新的负载条件而将中间母线电压无缝地提高到最优水平。当一对电源转换器在并联的均流电路中运作时，如果负载级别正好在单个转换器的容量范围内，那么就可以关闭一个转换器，节约能源。——图11。这种积极的电源管理方式尤其适合在变化范围很大的负载条件下的系统。

图10  根据有效负载的情况来调节高级中间母线转换器的输出电压，可以降低能耗


图11  如果需要更多功率，监测软件可以使一对电源转换器工作在并联均流的情况下

[p]
这只是个开头

要强调的是，这些实例仅仅代表了带PMBus功能的3E电源转换器实现的少数几个功能，而创新的设计师们无疑会发现新的可能。同时，这些转换器中的任何一种都可以升级模拟设计而无需设计师们特别花费力气。这些转换器也提供类似模拟转换器使用风格的功能，例如通过外接单个电阻、远端电压补偿和单引脚开关控制，所以它们可以轻松地实现独立操作。PMBus拥有的“一劳永逸”能力还意味着，任何3E电源转换器都可以按照用户指定的参数进行预先编程，而这些参数是该装置在生命周期内或在重新编程之前都会保留的。这样一来，为了某个特定的应用程序，目标系统无需PMBus就可以对转换器实现微调。

与知名的模拟技术相比，数字电源转换是极大的研发力量的结晶，而这些研发力量是投入开发值得生产的数字转换器所必要的——这是选择经证实的、预先验证过的解决方案的主要原因。为了方便用户轻松适应数字电源环境，爱立信提供了工程方面的协助，并通过大量的技术文件和应用信息等文档，完善了其评估套件图 12。
 
图12  3E评估套件简化了学习、测试和编程