數字電源管理架構的探討

不同數字電源管理架構的特點

第一種架構由于實現比較簡單，系統設計者可以保持原有的模擬電源產品不變，只是外加一個專用的數字電源管理IC就可以實現，因而被廣泛應用于現有的各種高性能的系統中。但這種架構也有其固有的缺點，由于系統中的各個電源軌分布于系統板的不同位置，管理IC需要單獨對每個電源軌進行采樣、檢測和控制，這樣就需要為每個電源軌配置復雜的電壓、電流以及溫度等監控電路。一方面，模擬電源解決方案本身需要大量的外圍電路保證其可靠性，同時外圍的監控線路還會增加系統板的布線困難，從而降低系統板的集成度;另一方面，這些監控線路多是小信號線路，抗干擾能力差，很容易受到外部噪聲的干擾造成采樣錯誤，從而導致可靠性問題。

第二種架構，由于PMIC產品本身的局限性，雖然其可靠性和功率密度都非常好，但是適應性較差，只適用于某些特定的小微型系統;而大型系統，例如工業控制系統、通信基站系統、高速數據處理系統等應用，由于系統功能復雜，功能模塊多，供電模塊功率也大得多，電源管理系統比較復雜，PMIC滿足不了這類應用。而對于像手機、手持式移動互聯網設備這種類似的小微型系統，由于其功能模塊相對固定，供電架構就比較單一，PMIC恰恰可以滿足這類設備的要求，將系統所需要的所有電源軌集成到單個電源管理IC中，將電源管理方案的集成度提到最高。

第三種架構由于實現簡單，控制策略方便易行，同時通過總線對各個分立的電源軌進行控制，外部走線少，可靠性高，抗干擾能力強，因而近年開始被廣泛應用于各個高性能及高集成度的系統中。另外傳統的高性能電源芯片供應商Intersil、Linear、TI等都有相應的數字電源解決方案，隨著其推廣力度的加強及出貨量的增加，成本也已經降低到了一個合理的范圍內，系統設計者開始越來越青睞這種方案了。

而這其中的佼佼者Intersil， 更是將數字電源產品的優點發揮到了極致，極大地推進了分布式數字電源系統的發展。Intersil的Zilker Labs系列數字電源管理控制芯片采用先進的全數字控制模式，將電源解決方案的功率密度做到了業界最高的程度。并且針對分布式電源架構的可靠性要求，給出了多個芯片級解決方案以方便客戶配合系統進行優化。

以Intersil數字電源產品的代表芯片ZL6105為例，這款數字電源芯片采用全數字的控制方法，采用I2C/SMBus接口，可使用PMBus協議指令集對其進行管理，它使用特殊的電源管理處理器+狀態機的模式來實現數字控制。這種數字控制器的優點在于：一方面可以避免軟件跑飛造成電源崩潰;另一方面也避免了軟件計算環節產生的延時，實現了更快的反饋環路的響應，使電源方案的動態響應效果大大提升(圖3)。

另外此芯片還充分考慮到電源可靠性需求。采用分布式電源架構的一個主要風險就在于當電源的功率部分產生故障的時候，如果芯片的通信部分也出現故障，不僅可能導致系統失控，使數字電源易于維護的優勢喪失，而且還有可能導致整個系統損毀。ZL6105這款芯片在設計之初就充分考慮到這個風險，將芯片的通信部分和功率部分分開來設計并進行隔離，使功率部分即使出現故障也不會影響到通信部分的功能，這樣系統的各種保護和報警部分仍然可以正常工作，這樣就可以將系統損毀的風險降到最低。

ZL6105還內置了自動補償算法，在方便系統設計師使用的同時，自動補償算法更可以優化電源的動態響應，使電源的可靠性和穩定性更佳。ZL6105的自動補償功能還可以將系統的仿真特性通過三個有效的參數(這三個參數分別是增益Gc，品質因素Q和自然頻率F)輸出到用戶界面，用戶通過讀取這三個參數可以更深層次地了解該電源方案的外部輸出特性，并且通過長期跟蹤其特性的變化還可以通過這組參數的統計數據來對系統的可靠性進行有效評估。這個特性也為系統長期可靠性的評估指出了一個可行的方向。