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一文读懂电源架构和电源管理总线的原理

我们都知道，分布式电源架构(Distributed Power Architecture,PDA)是基站用的第一代电源架构 。PDA的一个实例示于图1 。这种电源架构对每个电压轨用隔离(砖式)电源模块提供 。当电压轨有限时，PDA工作良好，但每增加1个电压轨，其成本和PCB面积都显著增加 。电压轨时序也是困难的，需要增加外部电路来解决电压轨时序，这也会增加成本和板面积 。
人们需要高效率、低功耗、符合能效规范的电子设备，需要更高性能、更小形状因数的无线系统，这为电源和电源管理设计提出巨大的排战 。设计人员要为各种DSP、MCU、FPGA、ASIC、音频/视频和显示电路提供多电压、更大电流、更高效率、更低功耗、更低噪声、更小形状因数的电源和电源管理 。为此出现了各种各样的电源架构来满足变化的电源管理要求 。
图1 典型的DPA架构
中间总线架构
为了克服DPA尺寸大和成本高的缺点，第二代系统采用中间总线(Intermediate Bus Architecture,IBA)架构 。中间总线架构有固定电压(fixed voltage)IBA，非稳压(unregulated)IBA和准稳压(Quasi-regulated)IBA几种架构 。图2所示的固定电压IBA采用单个隔离砖式电源模块和很多非隔离负载点(Pol)DC/DC变换器 。Pol可以是电源模块(如TI公司的PTH系列)，也可以是分立的降压变换器 。隔音变换器的输入电压范围(36~75V或18~36V)与第一代相同 。它所产生的中间总线电压稳定到3.3V，5V或12V 。中间总线电压选择取决于系统设计师 。这种设计的好处是：较小的PCB面积、较低的成本和较容易的电压时序(由于有自动跟踪特性) 。这种电源架构使效率降低，每个电压需要两次变换 。
图2 固定电压中间总线架构
为了满足微小区基站设计对高效率和小占位面积的要求，需增加隔离变换器效率，使其工作在固定占空比和不稳压输出，这就是非稳压中间总线结构 。这种结构采用非稳压总线变换器，其输出电压是输入电压之比(例如TI公司ALD17 5：1变换器产生的输出电压是输入电压的五分之一) 。用这种技术设计的150W系统的第一变换级用十六分之一砖式变换器效率可达96% 。这种架构的限制是总线变换器的最大输入电压范围是36~55V 。Pol的输入电压必须小于12V，才能使Pol产生1V或小于1V的输出电压 。
为了满足一些无线供应商坚持要保持36~75V传统宽输入电压规格的要求，电源供应商推出准稳压IBA 。这种架构与非稳压IBA的主要差别是在输入电压超过55~60V范围，其输出电压稳定到10V左右 。这种架构的缺点是隔离电源模块必须增大尺寸来实现稳压电路和在55V以上效率降低 。
分比式电源架构
分比式电源架构(Factorized Power Architecture,FPA)采用3个灵活的单元来重新规定每个变换级的范围，使得电源密度和效率都比较高 。第1个单元是总线变换器模块(BCM)，这是1个窄范围输入、非稳压、高效率总线变换器，它采用ZCS-ZVS正弦幅度变换器(SAC)提供隔离和电压变换 。有高电压(高达384V)和中电压(48V)输入两个版本 。FPA的第2个单元是预调器模块(PRM)，这是1个高效率升压一降压变换器 。FPA的第3个单元是电压变换模块(VTM)，它与PRM组合在一起提供低电压输出(如需要可低到0.82V) 。FPA单元为电源系统设计提供更大的灵活性、伸缩性和更高的效率(图3) 。就尺寸而言，工作在3.5MHz有效频率的SAC，对于高电源变换在小封装中采用平面磁性元件，这种结构使功率密度大于1000W/in3 。
图3 FPA系统(效率和尺寸)
新一代SoC电源管理
APC(先进的电源管制器)靠动态或表态管理电源电压和漏电流，使SoC(系统芯片)能耗最佳化 。采用两种技术：DVS(Danamic Voltage Scalling)和AVS(Adaptive Voltage Scalling)来管理SoC电源电压 。APC适用两个软IP版本：APC1和APC2 。APC1设计用于单SoC;APC2设计用更复杂SoC电源管理架构，支持个并行电压和时钟 。APC2在内部共享电压域时具有控制多个独立时钟域的能力，这种能力特别重要，这可允许低功率工作 。PWI2.0总线接口可使APC2连接到多个外设器件或另外SoC 。图4示出采用APC2的双域SoC系统架构 。SoC由两个主要逻辑单元(硬件加速器和CPU)组成 。在每个电压域内有1个用于AVS控制的硬件性能监控器(HPM) 。时钟管理单元为电压域和HPMs提供时钟信号 。APC的4个主要功能单元示于APC2单元内 。控制逻辑单元提供主接口(AMBA-APB)、CMU接口和中断管理服务 。环路控制器管理AVS模式中的电压缩放 。为DVS支持提供每个电压的频率—电压表 。PWI2.0主机连接SoC到PMIC和其他外设 。
图4 采用APC2的双域SoC系统架构
电源管理总线
电源管理总线PMBus为控制电源变换和管理器件规定了数字通信协议 。采用PMBus，根据标准命令集可以配置、监控和操作电源变换器 。用PMBus命令，设计师可以设置电源的工作参量、监控电源的工作和根据失效和报警执行正确的测量 。
实现PMBus规范，要求电源和有关IC设计遵守其所要求的接口命令 。SMBus提供主计算机或系统管理器与PMBus依从器件之间的串行通信(图5) 。图5所示系统可以是：通用微控制器，ASIC，系统操作处理器，FPGA中的备用门，自动测试设备 。PMBus器件可以是：Pol模块，PWM控制器IC，集成FET DC-DC变换器，砖式隔离DC-DC变换器，AC-DC变换器 。
PMBus协议允许多源电源管理产品 。通过标准命令集OEM能够控制PMBus依从的电源变换器 。PMBus规范有两部分：Part1包括通用要求，这部分也规定了硬件信号传输和电气接口以及定时要求;Part Ⅱ规定了用在PMBus中命令语言 。
为了遵守PMBus规范，器件必须满足下列条件：
·器件必须满足PMBus规范PartI的所有要求;
·器件至少支持由PMBus规范PartⅡ规定的一个非制造商专门命令;
·若器件接受PMBus命令码，则它必须执行PMBus规范PartⅡ所描述的功能;
·若器件不能接受给定的PMBus命令码，则它必须响应PMBus规范PartⅡ所描述的失效管理和报告;
·根据电源应用，PMBus器件随着内部或外部编程必须在控制状态下起动和开始工作 。
图5 PMBus Version 1.1可管理AC-DC和DC-DC电源
PMBus协议覆盖广泛的电源系统架构和变换器 。协议包括编程电源变换器件失效或报警的能力 。对于失效条件，可以编程PMBus器件以立即判断，闭锁和重试或关机前继续工作一特定延迟时间来做出响应 。
PMBus与Power-One的Z-One架构(图6)的主要差别是分配电源管理任务的方法不同 。Z-One分开固件使能DPM(数字电源管理器和Pol基DPWM(数字脉宽调制器)IC之间的电源管理任务 。PMBus要求设计师根据PMBus协议编程计算机，其中很多信息存在系统控制器中 。它们之间的另一个差别是Z-One系统仅仅适合DC-DC变换器工作，而PMBus适合DC-DC和AC-DC变换器 。
【一文读懂电源架构和电源管理总线的原理】 图6 Z-One数字电源系统

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