用于有源电源管理的 PMBus 兼容 PoL 稳压器
品慧电子讯：优化效率和解决高端处理器、FPGA 和 ASIC 的复杂电源要求的需要使得有源电源管理成为数据中心服务器、电信系统和网络设备应用中的关键设计要求。同时，设计电源方案的工程师需要限度地减少电路板空间，同时缩短从初始概念到终产品的开发时间。
优化效率和解决高端处理器、FPGA 和 ASIC 的复杂电源要求的需要使得有源电源管理成为数据中心服务器、电信系统和网络设备应用中的关键设计要求。同时，设计电源方案的工程师需要限度地减少电路板空间，同时缩短从初始概念到终产品的开发时间。
为了应对主动电源管理的挑战，工程师现在必须考虑围绕 PMBus 规范构建的解决方案，该规范提供了一个用于监视和控制电源管理设备的平台。为了解决空间限制问题，必须实施组件数量少的解决方案。MPQ8645P 是 Monolithic Power Systems (MPS) 集成 PMBus 的负载点 (PoL)稳压器，为工程师提供了一种方法来应对这两组系统设计挑战。
系统设计挑战
服务器、电信和网络基础设施中使用的典型电源架构包括一个 AC/DC 前端，负责生成 48V 的直流电压。该 48V 电压被馈入 DC/DC 转换器，为 12V 中间总线架构 (IBA) 供电。然后，这个 12V 电压被分配到电路板上的多个 PoL 转换器，为 IC 或子电路供电。这些 IC 或子电路中的大多数都需要在低于 1V 至 3.3V 的电压范围内以及数十毫安至数百安培的电流范围内工作。这些电源轨通常对时序、电压精度、裕量和监控有严格的设计要求（图 1）。
图 1分布式电源架构示例
在一个复杂的系统中，可能有多达 50 个 PoL 电压轨。系统架构师和工程师需要一种简单的方法来管理这些电源轨的输出电压、时序和允许电流。某些处理器要求 I/O 电压在电压之前上电。或者，某些 ASIC 需要电压在 I/O 电压之前上电。上电和断电排序也是必要的。必须有一种简单的方法来实施更改以优化系统性能，并为每个 DC/DC 转换器存储特定配置，以简化设计工作。
为了满足对主动电源管理不断增长的需求，许多新的系统设计已转向采用 PMBus 技术，因为它允许电源具有更大的灵活性。PMBus 简化了电源的配置、排序和监控，同时确定警告和故障并做出反应。的 PMBus 规范（1.3 版）引入了自适应电压缩放 (AVS)，它支持处理器降低其时钟频率并自主降低电源电压的能力。这在输出负载较轻时将自身功耗降至，从而实现显着的省电效果。PMBus 1.3 版提供了许多进一步的改进，例如更快的 PMBus 速度以提高数据吞吐量，增强输出电压跟踪以通知警告阈值，
随着系统复杂度的增加和设计周期的缩短，设计资源变得捉襟见肘，因此资源分配主要集中在开发系统的关键知识产权上。这通常意味着必须将电源搁置一旁，直到开发周期的后期。由于时间有限，而且电源设计知识可能有限，因此存在开发占地面积尽可能小的高效解决方案的压力。不断缩小的电路板面积需求导致利用 PCB 底面来化电路板的空间，但在某些情况下这可能不是一种选择。理想的解决方案是外形小巧的完整电源。
处理范围从几十毫安到几百安的应用的传统方法是分立式模拟解决方案。分立模拟解决方案的构建块包括一个控制器 IC 和一对外部 MOSFET 或驱动器 MOSFET (DrMOS) IC。这些组件使用适当数量的输入和输出电容器以及适当的电感器实现，可以满足基本的电源转换要求。然而，大多数复杂的现代系统设计都需要监视、控制和获取系统的实时信息的能力。这些功能可以通过添加更多外部组件来实现，例如电压监控器、温度传感器、模数转换器 (ADC) 和数模转换器 (DAC)。这不仅增加了成本，
与传统的分立模拟解决方案不同，MPS 实施单片解决方案。MPQ8645P 是一款带 PMBus 接口的 16V 降压稳压器，可在单相操作中提供 30A 电流，利用同步整流实现效率，所有这些都在单个硅芯片上完成。它采用耐热增强型 TQFN (4×5mm) 封装。MPQ8645P 比使用单独的控制器 IC 和功率级（不包括外部组件）的分立模拟解决方案小约 20-50%（表 1）。
表 1 MPS 的 IC 面积与分立模拟解决方案
该 IC 需要少数量的外部元件来简化原理图和 PCB 布局（图 2）。电源的基础设计可以分三步完成：
首先，选择适当数量的输入和输出电容器以满足应用的电压和电流纹波要求。
其次，选择合适的电感来满足应用的总负载电流需求。
第三，通过在它们各自的引脚和地之间放置一个电阻来编程电流限制和 PMBus 地址。
其余功能和操作可通过 PMBus 解决。由于其高度集成和简单的设计，稳压器可以实现 85 – 95% 的典型效率。例如，对于 1MHz开关频率应用中的 12Vin 至 2.5Vout，该 IC 的峰值效率高达 95%。
图2 MPQ8645P单相工作典型应用电路
并联运行和均流
图 3 MPQ86459P 在多相操作中的典型应用
该稳压器还提供了一种处理大功率应用的简单方法。图 3显示了 IC 在多相操作中的典型应用。它具有可扩展性，可以并联以满足高负载电流需求。恒定导通时间 (COT) 控制模式架构可确保均衡的负载电流共享和匹配。在多相操作中，所有相的 ISUM 引脚连接在一起。ISUM 的信息是从每个相位收集的，并与平均电流进行比较以确定 TON 脉冲的持续时间。稳压器可以实现的电流匹配，在 4 相操作的室温下每相之间的误差 <2%（图 4). 这减轻了热点的可能性。MPQ8645P多可并联8颗IC，相数可增加至24相，轻松支持720A的输出电流。
图 4 MPQ8645P 在 4 相操作中的均流测量
系统监测/控制和调试/微调
使用兼容 PMBus 的电源 IC 比传统的分立模拟解决方案方法具有许多系统优势。它们提供轻松灵活的配置、广泛而准确的系统控制以及详细而的监控和遥测。
在传统的分立模拟解决方案中，输出电压、电流限制、开关频率和过流阈值等参数通常通过一个或多个电阻器设置。对应用程序所做的任何更改或更新都需要对实际物理组件进行返工。这意味着每个应用程序都有一组不同的组件供工程师跟踪。
只需一份物料清单 (BOM)，稳压器即可支持多种应用。输入/输出电压、输入/输出电流（每相和总电流）、开关频率、故障保护等参数可通过 PMBus 编程。这些参数的调整可以动态改变。该 IC 可以根据手头的需要调整电源的运行。
该稳压器还使用内置的多次编程 (MTP) 单元来存储自定义配置。每次系统针对特定应用进行微调后，工程师可以保存和存储所有调整后的参数。这允许快速修改并限度地减少物理硬件更改。该 IC 消除了重复性和潜在的密集型劳动活动，使系统微调变得无忧无虑。
该稳压器符合 PMBus 1.3 标准并具有监控功能。读取和实时信息（例如：电压、电流、功率、温度、开关频率和故障）的能力可以全面了解电源的性能。这在测试和调试阶段甚至系统部署期间非常有用，因为它使工程师能够通过预测分析优化系统运行时间，并在需要维修时通过获取更多数据限度地减少停机时间。
结论
主动电源管理是实现系统内适应性水平的关键，这对于满足不断增长的数据通信和网络行业的能效需求至关重要。这也是系统架构师和工程师能够在空间受限和周转时间紧迫的情况下交付新设计的方式。MPS 的 PoL 调节器是应对这些挑战的直接解决方案。有了稳压器，元件选择、优化和布局的设计负担就消除了，缩短了整体设计时间、系统故障排除，并终缩短了上市时间。
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