數(shù)字電源管理的幾種主要架構(gòu)

隨著電源管理技術(shù)的發(fā)展，數(shù)字電源管理逐步成為業(yè)界公認(rèn)的發(fā)展方向，I2C/SMBus物理接口成為通用的標(biāo)準(zhǔn)數(shù)字電源管理接口，PMBus協(xié)議也成為通用數(shù)字電源管理協(xié)議。但是在不同的應(yīng)用階段和應(yīng)用環(huán)境下，數(shù)字電源管理技術(shù)也衍化為幾種不同的系統(tǒng)架構(gòu)。

使用集中式的數(shù)字電源管理IC+模擬電源產(chǎn)品， 這種架構(gòu)多見(jiàn)于幾年前的設(shè)計(jì)。由于系統(tǒng)廠商對(duì)于電源監(jiān)測(cè)和控制的需要，而數(shù)字控制式電源產(chǎn)品的相對(duì)稀缺，這種架構(gòu)暫時(shí)可以滿足系統(tǒng)設(shè)計(jì)廠商的需求，從而被廣泛應(yīng)用于各種高性能系統(tǒng)。這種架構(gòu)的特點(diǎn)就是使用帶有電壓、電流采樣的專(zhuān)用數(shù)字IC，對(duì)每個(gè)分立式的模擬電源的輸入輸出電壓、電流等進(jìn)行采樣然后經(jīng)過(guò)系統(tǒng)分析進(jìn)行調(diào)節(jié)或者輸出到主控IC。這種架構(gòu)我們可以稱(chēng)之為集中式數(shù)字電源管理架構(gòu)(圖1)。這類(lèi)方案的代表作為L(zhǎng)inear Technology的LTC2978。

圖1，集中式數(shù)字電源管理架構(gòu)。

單個(gè)電源管理IC集成多路電源軌，系統(tǒng)主控IC通過(guò)總線對(duì)各個(gè)電源軌進(jìn)行監(jiān)控。這種系統(tǒng)架構(gòu)也就是我們通常所說(shuō)的PMIC架構(gòu)。這種架構(gòu)多用于小維型系統(tǒng)，例如手持設(shè)備等。這種系統(tǒng)一般情況只需使用單個(gè)PMIC來(lái)管理整個(gè)系統(tǒng)。系統(tǒng)主控IC通過(guò)PMIC的I2C/SMBus接口直接管理各個(gè)電源軌，達(dá)到高效和高集成度的目的。這類(lèi)產(chǎn)品的代表作有Intersil公司的ISL9305H，這個(gè)產(chǎn)品在單個(gè)芯片中集成了兩路開(kāi)關(guān)穩(wěn)壓器和兩路線性穩(wěn)壓器，使用I2C的標(biāo)準(zhǔn)接口與主控IC進(jìn)行通信，達(dá)到高集成度和可控性的目的。

使用帶有I2C/SMBus接口的專(zhuān)用數(shù)字電源產(chǎn)品，系統(tǒng)主控IC通過(guò)總線對(duì)各個(gè)分立式電源軌進(jìn)行管理，這種架構(gòu)的特點(diǎn)是使用通用的數(shù)字式電源管理產(chǎn)品，每個(gè)系統(tǒng)電源軌通過(guò)獨(dú)有的地址連接到系統(tǒng)總線上，主控IC通過(guò)地址對(duì)相應(yīng)的電源軌進(jìn)行監(jiān)測(cè)和控制。這類(lèi)產(chǎn)品的代表作有Intersil的Zilker Labs數(shù)字電源產(chǎn)品系列(圖2)。

圖2，分布式數(shù)字電源管理架構(gòu)。

不同數(shù)字電源管理架構(gòu)的特點(diǎn)

第一種架構(gòu)由于實(shí)現(xiàn)比較簡(jiǎn)單，系統(tǒng)設(shè)計(jì)者可以保持原有的模擬電源產(chǎn)品不變，只是外加一個(gè)專(zhuān)用的數(shù)字電源管理IC就可以實(shí)現(xiàn)，因而被廣泛應(yīng)用于現(xiàn)有的各種高性能的系統(tǒng)中。但這種架構(gòu)也有其固有的缺點(diǎn)，由于系統(tǒng)中的各個(gè)電源軌分布于系統(tǒng)板的不同位置，管理IC需要單獨(dú)對(duì)每個(gè)電源軌進(jìn)行采樣、檢測(cè)和控制，這樣就需要為每個(gè)電源軌配置復(fù)雜的電壓、電流以及溫度等監(jiān)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(shí)外圍的監(jiān)控線路還會(huì)增加系統(tǒng)板的布線困難，從而降低系統(tǒng)板的集成度;另一方面，這些監(jiān)控線路多是小信號(hào)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(cuò)誤，從而導(dǎo)致可靠性問(wèn)題。

第二種架構(gòu)，由于PMIC產(chǎn)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(yīng)性較差，只適用于某些特定的小微型系統(tǒng);而大型系統(tǒng)，例如工業(yè)控制系統(tǒng)、通信基站系統(tǒng)、高速數(shù)據(jù)處理系統(tǒng)等應(yīng)用，由于系統(tǒng)功能復(fù)雜，功能模塊多，供電模塊功率也大得多，電源管理系統(tǒng)比較復(fù)雜，PMIC滿足不了這類(lèi)應(yīng)用。而對(duì)于像手機(jī)、手持式移動(dòng)互聯(lián)網(wǎng)設(shè)備這種類(lèi)似的小微型系統(tǒng)，由于其功能模塊相對(duì)固定，供電架構(gòu)就比較單一，PMIC恰恰可以滿足這類(lèi)設(shè)備的要求，將系統(tǒng)所需要的所有電源軌集成到單個(gè)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(gòu)由于實(shí)現(xiàn)簡(jiǎn)單，控制策略方便易行，同時(shí)通過(guò)總線對(duì)各個(gè)分立的電源軌進(jìn)行控制，外部走線少，可靠性高，抗干擾能力強(qiáng)，因而近年開(kāi)始被廣泛應(yīng)用于各個(gè)高性能及高集成度的系統(tǒng)中。另外傳統(tǒng)的高性能電源芯片供應(yīng)商Intersil、Linear、TI等都有相應(yīng)的數(shù)字電源解決方案，隨著其推廣力度的加強(qiáng)及出貨量的增加，成本也已經(jīng)降低到了一個(gè)合理的范圍內(nèi)，系統(tǒng)設(shè)計(jì)者開(kāi)始越來(lái)越青睞這種方案了。

而這其中的佼佼者Intersil， 更是將數(shù)字電源產(chǎn)品的優(yōu)點(diǎn)發(fā)揮到了極致，極大地推進(jìn)了分布式數(shù)字電源系統(tǒng)的發(fā)展。Intersil的Zilker Labs系列數(shù)字電源管理控制芯片采用先進(jìn)的全數(shù)字