借用模擬/數(shù)字混合控制器加強(qiáng)電源管理設(shè)計(jì)

　　為貼裝在主機(jī)板上的電源供應(yīng)器加進(jìn)混合控制技術(shù)，優(yōu)勢(shì)為能有力及可預(yù)測(cè)地管理控制器，并即時(shí)提供系統(tǒng)狀況?；旌峡刂破鳎℉ybrid Controller）使用相同的常規(guī)類比電源設(shè)計(jì)方法，但增加了作為啟始化（Initialization）及維護(hù)的數(shù)位介面。數(shù)位介面支持系統(tǒng)與通?；?a href="http://wenjunhu.com/tags/i2c/" target="_blank">I2C的控制器雙向通訊，讓開(kāi)發(fā)人員能夠讀回控制器的資料，或藉寫(xiě)入指令至控制器，動(dòng)態(tài)地改變控制器的功能。

　　系統(tǒng)的效能、整體物料清單（BOM）、電路板空間、電源電壓範(fàn)圍及可靠性等不大會(huì)受到加入數(shù)位智能的影響，但混合控制帶來(lái)的優(yōu)點(diǎn)是單獨(dú)使用類比方案所無(wú)法提供的。

　　本文將探討及評(píng)估在系統(tǒng)電源應(yīng)用中使用混合控制所實(shí)現(xiàn)的一些優(yōu)勢(shì)。文章將基于實(shí)用立場(chǎng)，藉使用實(shí)例來(lái)確定和探究這些優(yōu)勢(shì)，進(jìn)而得出能夠成功應(yīng)用混合控制技術(shù)，讓主機(jī)板電源應(yīng)用的終端用戶受益的結(jié)論。

　　透過(guò)SS/延遲接腳增加功能

　　加入數(shù)位通訊并非表示須要增加接腳數(shù)量或封裝尺寸。若以一顆僅有類比電路、不含數(shù)位介面的元件為例，如圖1所示的ADP3192 40接腳同步降壓轉(zhuǎn)換器。為了提供數(shù)位控制下的動(dòng)態(tài)功能，將須要增加兩個(gè)數(shù)位接腳，即數(shù)據(jù)串列數(shù)據(jù)線（SDA）和時(shí)脈串列時(shí)脈線（SCL）功能。

　　圖1　ADP3192接腳輸出

　　這表示增加元件占位面積，或者亦可審視何種功能可完全以數(shù)位方式來(lái)執(zhí)行，且毋需外部硬體，使類比有多余的接腳，以保持塬有接腳數(shù)量。

　　如前文所述，混合控制器內(nèi)的控制迴路維持為混合控制器內(nèi)僅含類比電路的迴路，故沒(méi)有靈活性來(lái)改變與此功能相關(guān)的任何接腳。增加SDA和SCL作為任何接腳的第二功能是不容許的，因?yàn)樵摴δ鼙仨毥鍐⒂么嗽?lái)提供。此外，為可靠操作起見(jiàn)，不可能改變脈衝寬度調(diào)變（PWM）或監(jiān)測(cè)接腳的功能。

　　在這些準(zhǔn)則下，許多塬本的接腳可能得保持不變，確保元件操作可預(yù)測(cè)。然而，控制電源輸出序列的軟啟動(dòng)（SS）及延遲接腳能夠藉數(shù)位控制機(jī)制單獨(dú)地執(zhí)行。此將使晶片插座（Socket）及接腳數(shù)量能保持不變，但加入數(shù)位通訊所需的功能。

　　輸出電壓的SS斜率（Slope）由內(nèi)部計(jì)時(shí)器設(shè)定。缺設(shè)值設(shè)定為電源導(dǎo)通，此可透過(guò)串列介面來(lái)編程。SS電路使用內(nèi)部數(shù)位類比轉(zhuǎn)換器（DAC）以6.25毫伏特的升級(jí)來(lái)增加輸出電壓至啟動(dòng)電壓（Boot Voltage）。一旦輸出電壓達(dá)到啟動(dòng)電壓，啟動(dòng)電壓延遲時(shí)間就用上了。

　　對(duì)于塬本的ADP3192而言，要改變軟啟動(dòng)速率（Soft Start Rate）及啟動(dòng)電壓延遲時(shí)間兩個(gè)參數(shù)，就須要使用公式1及公式2重新計(jì)算兩個(gè)離散元件，并在主機(jī)板上改變硬體。這些元件不可能採(cǎi)用熱插拔（Hot Swapped）方式，因此，在僅含類比電路的設(shè)計(jì)中，不可能以動(dòng)態(tài)的方式改變軟啟動(dòng)的設(shè)定。

　　公式1

　　公式2

　　圖2顯示的是相同元件，但呈現(xiàn)它如何能夠整合數(shù)位通訊，而接腳數(shù)量與塬本的ADP3192相同。加入數(shù)位通訊后，以數(shù)位方式執(zhí)行軟啟動(dòng)及延遲機(jī)制，提供更多的功能。

　　圖2　ADP3192修改后的接腳輸出

　　這不僅影響接腳功能及軟啟動(dòng)機(jī)制使用的方式，還增強(qiáng)靈活性，能夠動(dòng)態(tài)地改變插座上所見(jiàn)啟動(dòng)電壓的延遲及扭轉(zhuǎn)率。

　　一旦確定數(shù)位通訊，即可審視可應(yīng)用或以數(shù)位方式監(jiān)測(cè)其他功能。最終目標(biāo)為能以最小的工作量在數(shù)位域監(jiān)測(cè)所有功能，其中大部分的功能能動(dòng)態(tài)改變，從而適應(yīng)終端開(kāi)發(fā)人員的需求或系統(tǒng)設(shè)置要求。

　　電壓識(shí)別（VID）接腳（接腳32～29）接受數(shù)位訊號(hào)輸入，并使用這數(shù)位訊號(hào)輸入改變類比輸出電平，而此可透過(guò)使用數(shù)位鏈路來(lái)實(shí)現(xiàn)。

　　要實(shí)現(xiàn)這一點(diǎn)，元件的接腳輸出將不會(huì)改變。增加的功能為開(kāi)發(fā)人員提供更高的控制等級(jí)。然而，藉由VID代碼接腳響應(yīng)的地方改變，控制器必須忽略所有發(fā)生在外部硬體的進(jìn)一步改變，除非另有聲明。若沒(méi)有實(shí)現(xiàn)這一點(diǎn)，元件可能到達(dá)意料之外/未預(yù)測(cè)到的輸出電壓，或者降壓至永久的關(guān)閉狀態(tài)，故而須要觸發(fā)啟用接腳來(lái)恢復(fù)操作。

　　當(dāng)然，開(kāi)發(fā)人員也可獲得其他功能：如電壓偏移（Voltage Offset），此功能支持增加偏移來(lái)微調(diào)輸出電壓；及內(nèi)部相位均衡放大器增益的相位均衡調(diào)節(jié)，此功能確保每個(gè)PWM都有均等的脈衝寬度及工作週期（Duty Cycle）。

　　由于可以數(shù)位方式改變諸如負(fù)載線（Loadline）值、主動(dòng)相位（Active Phase）數(shù)量及安全特性等參數(shù)，且藉數(shù)位介面報(bào)告系統(tǒng)狀況，對(duì)于長(zhǎng)期應(yīng)用的開(kāi)發(fā)人員而言，頗具價(jià)值。

　　以無(wú)線通訊增強(qiáng)監(jiān)測(cè)能力

　　對(duì)于設(shè)計(jì)人員來(lái)說(shuō)，增加數(shù)位通訊最具價(jià)值之處，是它能夠即時(shí)地提供工作所設(shè)定的最新報(bào)告，可即時(shí)主動(dòng)監(jiān)測(cè)或響應(yīng)任何故障或狀態(tài)改變。

　　輸出電壓、相位狀態(tài)及電流輸出等功能都能夠基于數(shù)位介面讀回及監(jiān)測(cè)。此監(jiān)測(cè)能力能夠根據(jù)設(shè)計(jì)要求及工作期間可能產(chǎn)生的警報(bào)指示、故障及通知，藉設(shè)定限制來(lái)動(dòng)態(tài)地使用。

　　可靠的通知，如提示是否發(fā)生故障或系統(tǒng)是否未以最佳的能力等級(jí)工作，能夠幫助尋找故障，獲知系統(tǒng)內(nèi)出現(xiàn)的任何問(wèn)題。此能夠用于工作期間的動(dòng)態(tài)改變，或是根據(jù)所使用的系統(tǒng)，簡(jiǎn)單地用于提供資料給開(kāi)發(fā)人員。

　　隨著電源管理及針對(duì)變化的負(fù)載以最佳的條件運(yùn)行管理系統(tǒng)的能力日漸受到重視，動(dòng)態(tài)控制為硬體設(shè)計(jì)提供一定水準(zhǔn)的智能，在硬體設(shè)計(jì)中，能夠在其所使用的工作系統(tǒng)中提供及維持這樣的智能。

　　同樣，隨著功能增加至元件中，若開(kāi)發(fā)人員選擇在元件工作時(shí)不使用數(shù)位介面，為終端用戶或開(kāi)發(fā)人員獲得可視化的故障提示或系統(tǒng)警報(bào)的能力，可能仍然適用于系統(tǒng)故障的早期檢測(cè)。使用專用接腳來(lái)提供故障及警報(bào)狀況，可保持塬有的接腳數(shù)量，并無(wú)損系統(tǒng)功能。

　　此監(jiān)測(cè)功能在工程修復(fù)作業(yè)時(shí)間方面提供更高效的方式，而在工程修復(fù)作業(yè)時(shí)能在工作的系統(tǒng)（Live System）中執(zhí)行此監(jiān)測(cè)功能，此功能也有助于提供新的更嚴(yán)格的能源額等級(jí)評(píng)定（Energy Rating）限制及耗電量（Power Expenditure）目標(biāo)。

　　混合控制器提供靈活設(shè)計(jì)優(yōu)勢(shì)

　　現(xiàn)能審視可在設(shè)計(jì)中整合數(shù)位控制的可用元件。產(chǎn)業(yè)界發(fā)展的ADP4000是一款具有數(shù)位介面的可編程多相降壓轉(zhuǎn)換器（圖3）。

　　圖3　ADP4000接腳輸出

　　雖然ADP4000的接腳輸出、類比功能與ADP3192并不相同，但它的許多特性/功能仍保持不變，再加上能夠以數(shù)位方式編程及監(jiān)測(cè)特定參數(shù)而獲得額外優(yōu)勢(shì)。此係以數(shù)位方式執(zhí)行軟啟動(dòng)、延遲及負(fù)載線設(shè)定等接腳功能。

　　ADP4000由于以數(shù)位介面整合所述的功能，實(shí)質(zhì)上是ADP3192控制器及僅類比設(shè)計(jì)不能提供的功能的混合體。此顯示混合控制器在主機(jī)板電源設(shè)計(jì)中能夠提供的優(yōu)勢(shì)。

　　從上述討論中能夠得出結(jié)論：為任何類比元件加入數(shù)位介面會(huì)帶來(lái)監(jiān)測(cè)及控制能力的明顯優(yōu)勢(shì)。它令系統(tǒng)更靈活，而不大影響電路板布線。

　　雖然元件上必須提供的接腳功能僅用于通訊，但此功能為開(kāi)發(fā)人員提供明顯的優(yōu)勢(shì)，且長(zhǎng)遠(yuǎn)而言，對(duì)電源管理設(shè)計(jì)及實(shí)作是無(wú)價(jià)的。