電源管理的一些新方案

　　隨著移動電話、筆記本電腦、數(shù)碼相機、攝錄像機、MP3播放機等便攜裝置的迅速發(fā)展，對電源和電源管理提出了更高的要求。電源系統(tǒng)面對：

　　·系統(tǒng)日益增加的復(fù)雜性；

　　·需要管理更多電壓、更低電壓以及更寬的輸入電壓范圍；

　　·系統(tǒng)空間越來越小，功能越來越多，功率越來越高；

　　·高性價比要求。


圖1　在PMBus規(guī)范實現(xiàn)中，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

　　面對這些嚴峻的挑戰(zhàn)，制造廠家推出各種解決方案，使得電源和電源管理技術(shù)日新月異，新產(chǎn)品、新結(jié)構(gòu)、新協(xié)議、新解決方案層出不窮。

　　除便攜裝置所用電源面對嚴峻挑戰(zhàn)外，計算機、通信、工業(yè)、消費電子、汽車、儀器儀表等所用電源面對提高電源效率、降低待機功耗的挑戰(zhàn)。

　　數(shù)字電源管理

　　數(shù)字電源控制協(xié)議

　　控制電源轉(zhuǎn)換和管理器件的數(shù)字通信協(xié)議__新PMBus(電源管理總線)于2005年發(fā)布標準規(guī)范。一些電源和半導(dǎo)體公司，如Artesyn 　　Technologies 、Astec/Emerson Network Power 、Intersil Corp. 、Microchip Technology 、Summit Microelectronics 、Texas 　　Instruments 、Volterra Semiconductor　、Zilker Labs Inc.等參與此協(xié)議的共同研究。用PMBus，根據(jù)標準命令集可以配置、監(jiān)控和維護電源轉(zhuǎn)換器。設(shè)計人員可以用PMBus命令來設(shè)置電源的工作參量、監(jiān)控電源工作和執(zhí)行正確的測量來響應(yīng)失效或工作報警。僅僅靠重新編程設(shè)置電源輸出電壓性能能使同一硬件提供不同的輸出電壓。PMBus系統(tǒng)的監(jiān)控和維護性能能夠增強系統(tǒng)的可靠性和可用性。

　　實現(xiàn)PMBus規(guī)范需要電源和相關(guān)IC的設(shè)計要遵從所要求的接口和命令。例如，在實現(xiàn)PMBus規(guī)范時，SMBus(系統(tǒng)管理總線)提供主計算機或系統(tǒng)控制器與PMBus依從器件之間的串行通信(圖1)。在實現(xiàn)PMBus規(guī)范時，PMBus協(xié)議將使能多源電源管理產(chǎn)品。設(shè)計人員能夠用標準命令集控制PMBus依從的電源轉(zhuǎn)換器。

　　數(shù)字電源管理器

　　Power-One公司的第二代IBA(中間總線結(jié)構(gòu))控制器從模塊變?yōu)閱纹?。單片?shù)字IBA控制器ZM7332可以控制高達32個數(shù)字POL(負載點)、4個簡單的LDO(低壓降)穩(wěn)壓器、VRM(電壓穩(wěn)壓器模塊)等。在典型的應(yīng)用中，系統(tǒng)中有4組Z-One POL(圖2)，每組由1個或多個POL轉(zhuǎn)換器構(gòu)成。單片DPM(數(shù)字電源管理器)控制器可由用戶編程失效管理配置和規(guī)定容限功能、監(jiān)控、啟動功能以及報告轉(zhuǎn)換行為。用戶可以通過I2C總線在產(chǎn)品開發(fā)和應(yīng)用期間的任何時間改變可編程的參量。DPM可以觸發(fā)任選的保安電路并為中間總線電壓提供欠壓和過壓保護。DPM也可以管理模擬POL或LDO以及需要開/關(guān)功能或監(jiān)控的任何事情。每個器件都有1個地址并配置在1個組中。可以編程使能信號的極性和輔助器件的失效數(shù)據(jù)。

　　數(shù)字電源

　　TI公司的Fusion Digital PowerTM解決方案把模擬電源管理和數(shù)字信號處理結(jié)合在一起，使電源系統(tǒng)更智能、更可靠，使得數(shù)字控制電源系統(tǒng)以極具競爭力的低成本實現(xiàn)更高的性能和設(shè)計靈活性。Fusion Digital PowerTM解決方案包括數(shù)字電源控制器UCD9k、數(shù)字電源PWM控制器UCD8K和數(shù)字電源驅(qū)動器UCD7K。該數(shù)字電源解決方案支持從AC線路到負載點應(yīng)用的電源系統(tǒng)，包括電信設(shè)備、計算機服務(wù)器、數(shù)據(jù)中心電源系統(tǒng)。


圖2　DPM控制器應(yīng)用電路

　　POL電源模塊

　　非隔離式插入負載點電源模塊

　　TI公司的T2系列非隔離式插入負載點電源模塊支持4.5V~14V輸入電壓范圍的降壓DC/DC轉(zhuǎn)換，可調(diào)輸出電壓能夠在輸出電流高達50A時下降至0.7V，非常適合于IBA應(yīng)用。圖3示出T2電源模塊的應(yīng)用電路。T2模塊集成了最新的TurboTransTM技術(shù)和SmartSync功能。創(chuàng)新的TurboTransTM技術(shù)使電源設(shè)計人員利用單個外部電阻器就可動態(tài)地“調(diào)節(jié)”模塊，從而滿足特定的瞬態(tài)負載要求。此技術(shù)能大幅度降低所需電容，使輸出電容降低5~8倍。從而節(jié)省電容成本和PCB空間。最終可加快瞬態(tài)響應(yīng)，使輸出電壓偏移降低40%。T2電源模塊的SmartSync功能使電源設(shè)計人員能將多個T2電源模塊的開關(guān)頻率同步到特定的頻率。因此，設(shè)計人員可以將電源模塊同步到能使效率最大化和功耗最小化的頻率。由于解決了同步問題，就能夠消除差頻，同步化的電源模塊更易于實現(xiàn)EMI濾波，從而滿足對噪聲敏感的RF系統(tǒng)的輻射要求。也可以在不同的相位角同步電源模塊，降低POL輸入電容。T2電源模塊還具有DSP要求的1.5% DC容差、Auto-TrackTM排序技術(shù)、預(yù)偏置啟動、差分遠程感測、開/關(guān)機控制、過濾保護、過溫保護、欠壓鎖定等特性。


圖3　非隔離式插入負載點電源模塊應(yīng)用電路

　　DC/DC微型電源模塊

　　Linear公司的微型10A　POL降壓穩(wěn)壓器模塊在15mm×15mm×2.8mm　LGA封裝中包含板上電感器、板上功率MOSFET、板上DC/DC控制器和MOSFET驅(qū)動器、板上補償電路。用它構(gòu)成POL穩(wěn)壓器僅需輸入和輸出電容器(圖4)。圖4中LTM4600EV轉(zhuǎn)換器的輸入電壓圖6　PFC設(shè)計和OCC方案。
范圍4.5V~20V (LTM4600HVEV最大輸入電壓可達28V)，輸出電壓范圍0.6V~5V(由1個電阻器設(shè)置)，典型開關(guān)頻率800KHz(滿載)，它包含過壓和短路保護以及通過小電容器可調(diào)的內(nèi)置軟啟動定時器。


圖4　微型10A　POL模塊應(yīng)用電路


圖5　分布電源新拓撲


圖6　PFC設(shè)計和OCC方案

　　分布電源新拓撲

　　Vicor公司的FPA(分比式電源架構(gòu))在負載點采用隔離電壓轉(zhuǎn)換模塊(VTM)，由前置穩(wěn)壓器模塊(PRM)提供穩(wěn)壓(見圖5)。
　　電源轉(zhuǎn)換拓撲一般采用脈寬調(diào)制(PWM)轉(zhuǎn)換器。一種新的電源轉(zhuǎn)換拓撲是正弦幅度轉(zhuǎn)換器(SAC)。SAC把零電流開關(guān)(ZCS)/零電壓開關(guān)(ZVS)轉(zhuǎn)換器和PWM轉(zhuǎn)換器的優(yōu)點結(jié)合在一起。SAC與PWM轉(zhuǎn)換器的性能比較示于表1。SAC開關(guān)頻率高達3.5MHz，這可減小電抗元件的大小。不像一些非隔離轉(zhuǎn)換器那樣，交錯多相位來產(chǎn)生1個高有效頻率，SAC工作在1個有效的單相頻率，這使復(fù)雜性大大地降低。

　　ZCS/ZVS大大降低了開關(guān)損耗，SAC在100%占空比處理功率，不需要串行能量存儲在轉(zhuǎn)換器的輸出，這進一步減小了元件尺寸，并改善了瞬態(tài)響應(yīng)。

　　改善功率因數(shù)校正的新技術(shù)

　　交流電源設(shè)備必須遵從有關(guān)規(guī)定的總諧波失真(THD)最大限制，這意味著實現(xiàn)功率因數(shù)校正(PFC)已成為電源設(shè)計的1個關(guān)鍵因素。在低功率系統(tǒng)(200W~300W)，開關(guān)電源慣用的控制方法是非連續(xù)電流模式(DCM)技術(shù)，在這種方法中開關(guān)周期每部分電感器電流降到零。DCM方案的優(yōu)點是簡單和經(jīng)濟。但是，隨著功率的增加，需要較大的EMI濾波器、效率會降低而且需要較大的FET和散熱器。基于此原因，較高功率系統(tǒng)采用連續(xù)電流模式(CCM)技術(shù)，而不管這會導(dǎo)致較多的元件、電路復(fù)雜以及尺寸和系統(tǒng)成本增加。

　　PFC設(shè)計的新方法是OCC(One-Cycle Control)。OCC方案在功率75W~4KW額定范圍內(nèi)能提供一般CCM技術(shù)的所有好處，并具有較低的成本和復(fù)雜性。新的OCC方案與傳統(tǒng)乘法基CCM系統(tǒng)的差別是OCC不需要AC線感測。從DC總線電壓和返回電流得到校正電流波形和使功率因數(shù)最大所需的所有信息。OCC系統(tǒng)處理這些信息來驅(qū)動PFC開關(guān)的占空比。OCC電路(圖6)不需要模擬乘法器、輸入電壓感測、固定振蕩器斜波。在OCC電路中，在1個開關(guān)周期內(nèi)積分誤差放大器的輸出來產(chǎn)生1個可變斜率斜波，然后與誤差電壓進行比較，產(chǎn)生PWM柵極驅(qū)動信號。這種控制方法比傳統(tǒng)的乘法基技術(shù)所需電阻器少40%、電容器少50%(對典型1KW系統(tǒng)而言)。對于PFC，OCC簡化了控制技術(shù)而又能提供像傳統(tǒng)乘法器基那樣的高性能。現(xiàn)在，把OCC功能集成到高性能IC中，IR公司已為75W~4KW功率額定值應(yīng)用開發(fā)出單芯片方案，這就是mPFC的新IR1150家族。

　　結(jié)語

電源管理是當今熱門的電子技術(shù)。有關(guān)電源管理的協(xié)議、新產(chǎn)品、新拓撲、新解決方案(如數(shù)字電源控制協(xié)議PMBus，單片數(shù)字電源管理器和數(shù)字電源，微型和大電流POL電源模塊，分布電源FPA拓撲，SAC轉(zhuǎn)換器，PFC設(shè)計的OCC方案等)層出不窮。預(yù)計未來5年，電源管理全球市場年增長率15%以上。