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系统复杂度升级 数位电源让供电难题迎刃而解
省空间、低成本、快上市

【作者: 王岫晨】2018年11月28日 星期三

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从智慧手机的开发、到伺服器系统与无线基地台,数位电源管理与控制可提供整体电源系统更为即时的智慧能力,开发人员也因此能够建构出具备环境自适应功能,以及效率最隹化的电源供应系统。数位电源具备更高的智慧化能力,可以自动补偿负载与系统温度的变化,透过自适应停滞时间的控制,可达到节能的效果。而动态电压调节则可实现系统效能的最隹化,并在各种可能或已故障的状况下,提供更安全的运作效能与更强大的保护能力。



图1 : 采用数位电源模组,系统设计人员可以节省电路板空间,来增加更多功能性电路。
图1 : 采用数位电源模组,系统设计人员可以节省电路板空间,来增加更多功能性电路。

电源模组其实就是将PWM控制器、电感、功率MOSFET和其他被动元件等,整合到一个小型的封装中,来达到高效率的电源转换目的。由於并不需要过多的输入与输出元件即可建构出完整的电源供应系统,这也正是电源模组可以简化电源设计的主因。



图2 : 降低系统功耗意味着可以减少散热元件的设置,并空出更多的空间。
图2 : 降低系统功耗意味着可以减少散热元件的设置,并空出更多的空间。

透过使用尺寸更精简的电源模组来为电子PCB板上的各种元件供电,设计人员可以开发出更小巧的电子系统,或者在相同尺寸的系统中加入更多的功能。由於系统开发人员可以免去复杂的电源供电设计,将更多时间专注於提升产品价值以及系统效能,因此更可以加速产品开发的上市时程。


至於数位电源模组,则兼具了数位电源的弹性,以及电源模组的优势,因此数位电源模组具备了高整合度、高灵活性与高可靠度等特色,并使得各种高度成长的应用领域开始纷纷转向采用效率更高的数位电源模组。


数位电源的优势

许多复杂度高且又需求高可靠度的配电系统,例如数据伺服器、网路传输与基地台等,通常都需要处理许多电压通道,这些电压通道必须能对其他的通道进行排序与追踪,才可以正确处理来自系统中包括微处理器、微控制器、ASIC、FPGA等逻辑IC的数位讯号。


为了在各种不同的操作环境下,都能将系统效能发挥到最大化,并让总功耗降到最低,改变电压与控制功率转换器的操作模式已经成为基本的要求。因此,数位化的电源转换和电源传输功能,对於任何高性能系统来说,都至关重要。


让智能化电源管理系统的性能最大化

数位电源是数据通信以及电信基础设施必要的供电方式,原因在於数位电源能够实现最隹化的系统效能、缩短产品开发时间、降低成本并提高产品寿命,并可在相同空间内实现更高整合度的系统设计。


实现智能化电源管理 最隹化系统性能

数位电源IC使用了电源管理介面PMBus协定,并透过系统管理介面SMBus来进行沟通,该协定是使用数位通信介面与电源转换系统之间彼此通信的标准协议。也因此,使用支援SMBus和PMBus的设备来进行电源转换,可提供传统类比电源系统所难以实现的灵活性和控制姓。透过数位电源设计设计,就可以利用支援PMBus协议的I2C通信介面,并透过主控制器来轻松管理并调整输出的电压值、电源排序和多个电压通道之间的同步。


此外,对於系统监控,数位电源解决方案也提供了许多种针对故障发生时的反应方法,可在电子产品的整个生命周期内,配置并调整过店流和欠电流、过电压与欠电压、过温故障和警告??值。如此一来,透过数位电源系统,就可以监控系统工作温度,以动态调节冷却风扇来降低系统整体功耗。


缩短系统开发时间

产品设计过程中,经历每个不同阶段,都可能会发生设计上的变化,包括增加电源通道,而每个电源通道上的电流可能增加,或者需要更严格的暂态响应。通常这会需要重新设计配电系统,但是如果采用了数位电源,就可以使用通用的SMBus标准,来轻松地将新的电压通道增加到电源管理系统之中。增加的新通道也可整合到电压监控、排序、裕量和故障检测方案中。新通道的数位电源IC具备专有的SMBus位址。而新增的额外电压通道,也无需重新编程或添加更多独立的电源管理IC。



图3 : 数位电源让系统整体的物料成本可以大幅降低。
图3 : 数位电源让系统整体的物料成本可以大幅降低。

数位电源使系统设计人员能够缩短电源设计时间,将更多心力专注於设计系统的关键特性和功能,进而缩短产品开发时间和研发成本。由於新产品的上市时间更快,因此获得市场商机的机会也同时提高。


降低系统成本并提高可靠度

利用数位电源,许多的系统管理和电源控制功能,都可以透过韧体的方式来加以实现,而不需使用额外的类比元件或电源控制IC来达成。系统设计人员可以为每个电压通道选用相同的元件,并且可以更改元件的操作方式,而不需要透过昂贵的硬体变更方式来达到目的。这样一来,系统整体的物料成本就可大幅降低。利用更少的元件,加上全面数位化的管理保护功能,整体系统更可以拥有更高的可靠性和更长的使用寿命。


更高整合度的系统设计

市场对於对高速数据、语音和视讯传输的需求不断成长,促使数据通信和电信服务提供商利用更多功能更快,且更可靠的解决方案来升级其网路设备。然而尽管传输速度与系统功能增加了,但系统整体可用的空间却依然有限。这意味着系统设计人员需要在电路板上增加更多功能性的电路,并减少电源供应IC所占用的面积。利用数位电源,就可以使用韧体来轻松实现许多电源监控和排序控制功能。如此一来,不只可以减少供电系统的电路板占位面积,并且可以将更多功能性IC整合到同一电路板上。


结语

支援PMBus的数位电源模组,能使高效能、高整合度与高智慧化的电源设计变得更为简易。透过采用数位电源模组,系统设计人员可以节省电路板空间,来增加更多功能性的电路,除了可以缩短产品开发时间、降低研发成本之外,还能快速将新产品推向市场。而藉由数位控制的便利性以及高可靠性,更可以最隹化系统的操作,来实现更低的功耗,以及更长的使用寿命。


[从MCU看数位电源的优势]

从系统层级来看电源系统的发展,碍於技术的局限性,所以在设计上几??都采用类比电路的方式,尽管这种作法蕴涵了大量的类比电路知识与布局经验,优异的类比电路设计,也能看出系统设计人员的能力高低,但最大的问题在於需要耗费庞大的时间与物力,举例来说,系统设计人员在量测讯号上也必须在很多不同的讯号节点进行量测,以确认讯号不受干扰,在受干扰的情况下,如何解决干扰问题,也是一大重点。


但随着时间推移,产品推出的时程日渐被严重压缩,传统的类比电路设计无法兼顾时间与品质,取而代之的,便是数位电源设计概念。


透过MPU或是MCU控制驱动晶片,针对不同电源负载提供所需要的电压与电流,在设计的过程中,就能减轻不少在类比电路布局的负担,另一方面,MPU与MCU在开发工具上,也大多采用了GUI的概念,对於电源设计的便利度也能大幅提升,对於设计经验较少的工程人员来说,无疑是减轻设计时程上的负担。


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