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干货 | 数字电源浅析之三:为系统带来哪些好处
发布时间:2020-11-30   点击次数:371次

    本文将深入探讨使用数字功率转换器与PMBus通信的系统级好处。

    PMBus可以为交直流电源和DC/DC变换器的设计和生产带来好处。它可以为复杂的电子系统带来性能上的好处,这些系统采用分布式电源结构,具有许多负载点(POL)非隔离DC/DC转换器。将PWM控制器、电感器、功率Mosfet和无源器件集成在一个小封装中,实现高效率的功率转换,功率模块集成电路可以为用户带来多项益处。下面的讨论从先进能源工业(Advanced Energy Industries)的Excelsys部门、ADI和瑞萨电子提出的三种不同观点,说明了使用PMBus通信的数字功率转换器的好处。

 

交直流电源产品生命周期保证

    在开发新的电子系统时,先进能源工业公司的Excelsys部门发现,PMBus在整个产品生命周期中对概念开发、设计、开发、调试、生产、维护甚至预防器件老化都是有益的。在概念阶段,当测试电源的可行性时,PMBus可以支持电压和电流的快速迭代,这些电压和电流可以动态改变,使设计人员能够大限度地灵活记录不同的配置和结果。

 

 

    在确定设计参数时,PMBus支持电源配置和所需余量的设置。这使得在PMBus上对每个设备进行峰值测量变得很容易,包括电机启动和设备循环期间的读数。它还支持测量低电压和低电流条件下的转换性能。

    在设计定型和调试过程中,PMBus可检查各种负载的顺序,测量工作裕度,检查超温运行,可用于探索裕度和排序定时的可能改进,并可帮助识别任何过载或超出规范/公差的条件。

    在从生产到维护的产品生命周期中,以及在老化阶段,PMBus可以提供多种好处。在生产过程中,PMBus可用于生产线末端测试,以验证配置是否正确构建。它可以测量生产过程中的可变性,并帮助确定替代部件,检查是否改变了操作参数,并有助于确保产品的一致性。

    在电源的使用寿命期间,PMBus可用于监控系统并确保其继续在规范范围内运行。它可以帮助监控老化的早期迹象,并确定预防性维护的需求,从而降低拥有成本。在产品寿命结束时,PMBus可以提供所需的数据来预测何时会发生老化,并支持在灾难性故障发生之前及时更换电源。

 

分布式电源体系结构中的数字用电模型

    ADI对两种常见的数字用电模式进行了比较:配置和部署、监控和运行。

    PMBus重要的命令集之一是用于存储和恢复操作存储器和非易失性存储器之间的设置。当与用于更改操作内存(行为)的命令结合使用时,它们支持Configure and Deploy使用模型。

 

配置和部署

    大多数PMBus产品的制造商都有一个GUI工具,可以通过PMBus与其产品进行通信。基本的使用模式是配置总线上PMBus设备的所有寄存器,并将它们的值存储在非易失性存储器中。然后,当系统通电或复位时,所有设备在启动期间从非易失性存储器加载数据进行操作。

    这个模型的基本优点是它的简单性。工具可以通过数据、模板和项目重用来减少PMBus配置的复杂性。第二个优点是成本较低,因为不需要“额外”器件来管理总线。

    该模型的缺点是失去了PMBus在正常运行期间的所有能力。在异常情况下,如故障时,所有设备必须自主反应,但灵活性有限,不能协调。重置时也是如此。所有设备必须自动启动。为了克服这一限制,许多设备都有额外的IO引脚,允许设备在没有PMBus的情况下进行通信。一种常见的方法是在设备之间使用漏极开路信号。通常有三个引脚:

 

同步/运行/GPIO

 

    同步管脚用于在复位时建立公共时钟。这允许对开/关事件进行经确的时间校正。运行引脚允许所有设备同时复位,无论是从外部,还是从设备本身。GPIO通常是故障输出和故障输入。这允许一个设备的故障传递到其他设备。这些管脚不是PMBus规范的一部分,但却是配置和部署模型中重要的系统工作。

 

监控和运行

    灵活的使用模式要求PMBus控制器在系统运行期间处于活动状态。警报引脚通常连接到控制器上的中断引脚。当出现故障时,控制器通过获取故障设备的地址、通过PMBus查询条件、采取措施纠正问题或关闭电压轨来对中断做出反应。

    控制器也用于遥测。这些数据可用于预测故障、测量功耗或调试罕见故障。控制器还将在复位时设置所有电压轨。

    监控和运行模型具有很高的灵活性,但开发更为复杂。如果软件可以在多个设计中复用,则可以将开发成本降至醉低,但增加的硬件成本仍将是一个考虑因素。

 

数字电源与PMBus的系统效益

 

    数据服务器、网络设备和基站的配电系统通常需要许多电压轨,这些电压轨需要对其他轨道进行排序或跟踪,以使微处理器、微控制器、ASIC、FPGA和任何其他数字逻辑IC正确运行。使用支持PMBus的集成DC/DC电源模块可以为这些复杂系统带来几个好处:

 

支持智能电源管理以大限度地提高系统性能

    使用支持SMBus和PMBus的设备进行功率转换,提供了传统模拟电源系统无法实现的灵活性和控制。通过使用数字电源,可以通过SMBus和PMBus协议对主机控制器轻松地管理输出电压的调整、功率排序和多个电压轨的同步。

    此外,对于系统监控,数字电源解决方案提供了多种应对故障的方法。过流、欠流、过电压、欠压和过温故障和警告阈值可以在产品的整个生命周期中配置和调整。可实现监测工作温度,动态调节冷却风扇,以降低系统功耗。

 

缩短系统产品开发时间

    随着产品设计在各个阶段的发展,设计可能会发生变化,包括增加电源轨、增加电流或要求更严格的瞬态响应。通常这需要重新设计配电系统,但是使用数字电源,可以使用行业标准SMBus轻松地将新的电压轨添加到电源管理系统中。新电压轨被整合到具有监控、排序、边缘和故障检测方案中。新电压轨的数字电源IC具有自己的SMBus地址,没有必要重新编程或添加更多的独立电源管理集成电路。

    数字电源使系统设计者能够减少他们在电源系统上的开发时间,集中精力设计关键的产品特性和功能,从而减少产品开发时间和研发成本。

 

降低系统BOM成本,同时提高可靠性和产品寿命

    使用数字电源,许多系统管理和电源控制功能可以通过固件来实现,而不是使用额外的模拟和电源控制器件。系统设计者可以对每个电压轨使用相同的器件,并且可以在不必更改硬件的情况下更改设备的操作,因此,可以降低BOM成本。此外,使用较少的组件和数字管理的保护功能,系统还可以具有更高的可靠性和更长的寿命。

 

在同一机箱内实现紧凑的系统设计和产品升级

    对高速数据、语音和视频通信的日益增长需求,促使数据通信和电信服务供应商要用更快、更可靠、功能更丰富的产品升级其网络设备。虽然速度和系统功能有所提高,但可用空间有限。这意味着系统设计者需要在电路板上增加更多的功能电路的同时,减少电源占用的面积。有了数字电源,许多电源监控和功率顺序控制功能可以很容易地用固件实现。结果就是减少了用于电源功能的PCB面积,并且可以在同一个板区域中添加更多的功能IC。

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