在通信电源中采用数字电源技术

日期:2011-01-05 Patrick Le Fevre,市场营销与传播总监,爱立信电源模块

  为灵活性设立了新标准



来源:爱立信

  由于移动通信的兴起,各种基于软件和硬件的技术已得到实现,以优化能源利用效率。每一个通信系统中都有DC/DC转换器和负载点转换系统。最新一代电源模块嵌入了数字内核及通信接口,增加了新的功能——灵活性。

  经过几十年的酝酿期,数字电源控制技术正迅速赢得市场份额,设计人员越来越欣赏该技术提供的相对于模拟的优点。尽管处在更加不确定的经济时代,电力行业分析师在2009年8月估计,今后五年数字电源的年复合增长率约为20%。不管预测的准确性如何,任何技术实现快速和可持续增长的关键在于以具有竞争力的成本提供实实在在的好处。
  正如许多设计师发现发那样,数字电源控制和数字电源管理的组合超出了常规进化的期望值,代表了整体能力真正的、有成本效益的逐步改变。在这里,数字电源控制是指用数字电路而不是熟悉的模拟电路实现电源转换器的内部控制回路。对于一个简单的降压转换器,这意味着取代了用于传统的错误信号反馈放大器的模数转换器,同时提供了脉冲宽度调制器的校正,以使用数字信号处理技术代替电压参考、斜波发生器和比较器来驱动电源开关。
  相比之下,数字电源管理是指监控电路,通过数字I/O方案进行通信,今天几乎无一例外地利用了PMBus™接口,这已成为电源行业的标准。结合了这些数字电源概念的转换器都可以积极管理其转换过程,以优化线路改变和负载条件,同时在同一封装中包括所有电源管理系统,以提高效率。


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图1:高度集成的功能,缩小的电路板空间,提高效率和可靠性。

  数字可配置提供生命周期优势
  但是,数字电源提供的电气性能和功率密度要求更加完善。从本质上讲,这种性能的改善是由于数字控制回路能够适应其动态变化,以最佳方式满足实时线路和负载条件,相反,用被动元件设置模拟转换器的响应,这不可避免地要在稳定性和动态响应之间进行妥协。为了发展3E概念(增强的性能、能源管理和最终用户价值,embraces enhanced performance, ener¬gy management, and end-user value),爱立信认为数字电源可以为整个产品的生命周期提供好处。

  由于数字转换器的核心是一个混合信号IC,可以用微不足道的额外成本,利用同一片硅上的PMBus接口把监控测量和控制硬件集成在一起。这种方法优化了转换器核心及其控制系统之间的电耦合,最大限度地降低了功耗,并削减了PCB面积,以适应采用基于模拟解决方案的同等功能。

 


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图2:数字电源转换器控制回路常数的重新编程可以优化其特定运行环境的动态性能。

  重要的是,在电力系统设计人员的应用开发阶段,在分销商的仓库,在设备制造和/或最终用户设备运行过程中,现在都可以配置数字转换器。这种空前程度的灵活性首次扩展了可编程逻辑模型在功率转换行业的应用。
  每个3E系列电源转换器都提供了一组可编程参数,包括输出电压选择、开/关延迟时间来实现多电源轨负载的排序、提供浪涌电流保护的斜率控制、系统测试电压裕度、多阈值警告、过流/过热以及欠压和过压故障情况。它甚至可以调整数字转换器的控制回路响应,以优化一组特定的负载和大容量输出电容条件的性能。
图2显示了设置3E负载点稳压器控制回路响应的微调常数的结果,以优化其特定环境的瞬态响应。


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图3:PMBus可以很容易地监视和控制3E系列兼容的电源系统设备。

  PMBus是关键的推动者
  PMBus在产品评估和开发过程中非常有用。在这里,控制PMBus兼容器件的电源管理器可能是一个通过合适转接器连接到电脑的原型板。由于PMBus的物理层依赖于SMBus——它是I2C的发展——PMBus一般仅限于板级,让设计人员可以自由地选择其背板连接。图3显示了总体方案。
  为了使开发立即可用,爱立信为3E产品开发了PC兼容评估套件,它包括一个USB至PMBus适配器和替代板电源管理器的驱动软件。PC和套件的应用软件则承担了系统主机和用户界面的作用。这种方法为参数的试验(如输出电压设置、电源排序程序、电压裕度,以及故障处理)提供了一个极其快速的方法,而无需为板下测试改变硬件。当设计师满意一个设置时,应用软件可以保存配置文件,供日后每个3E设备使用。


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图4:3E图形用户界面软件大大简化了设备配置。

  同时客户可能要求特定的配置,爱立信通常提供了默认配置的3E器件,它反映了转换器的典型应用概况。例如,用户可以订购20A额定值、预置输出1.0、3.3、5.0或5.5VDC的BMR450负载点稳压器。
  在其后可以通过PMBus对器件重新编程,得到分辨率1mV的0.6至5.5VDC的所有级别的电压(它也可以用一个25步长的电阻设置产品输出电压为0.7到5.0VDC)。因此,一个器件可涵盖一系列输出电压,可以减少库存,简化物流管理。另外值得一提的是,BMR450和40A的产品BMR451可以共享一个共用的PCB布局,使设计人员根据系统的电源需求改变转换器。
  如果必须一次性更改输出电压或任何其他可编程参数,这样做的合理时间是在电路板制造的ATE阶段。另外,分销商可以提供编程服务。假设升级模拟设计等简单的最终用户应用,可以不使用目标板的板电源管理逻辑。然而,包括完整PMBus连接可大大提高电源系统设计人员的选择范围。由于只需要四条PMBus导线和轻松容纳板电源管理逻辑的低成本微控制器,这种做法是非常值得考虑的。


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图5:调整先进总线转换器的输出电压到有效负载条件可降低能源消耗。

  实现PMBus连接允许系统主机在设备生命周期中监控每一个PMBus兼容的设备。根据系统的监控软件的复杂程度,这一数据收集能力可能形成能源成本分析、故障根本原因分析的基础,或满足其他用户特定的功能。它也可能有助于避免系统故障。举例来说,如果监控软件检测到某个特定器件出现异常高的警告状态模式,它可能发出一个服务警报,在故障之前尽早发现。同样,如果电源转换器的输出电压略有时间漂移,或受到宽温度变化的影响,监控软件可以自动调节设备回到规范条件。
  另一种可能性是监测电路板提供的功耗实现动态节能,其监控软件可智能改变中间总线转换器提供给负载点稳压器的输出电压。因为几乎所有电源转换器在低负载都是最有效的,将先进总线转换器从12VDC重新编程到9VDC可以节省功率消耗,而负载点稳压器可在轻负载下运行。
  当需要更多电力时,监控软件可以为新的负载条件无缝地提高中间总线电压到最佳水平。这里的2个电源转换器运行在一个平行电流共享布局下,可以节省能源,如果负载水平下降到一个转换器能力以内,就会关闭一个。这种积极的电源管理方法特别适合各种不同的负载条件下占用大量周期的系统。
  



图6:3E评估套件简化了学习、测试和编程。

  这仅仅是开始
  重要的是要强调,这些示例场景只代表了PMBus连接可能实现的3E电源转换器的可能性,而创新设计无疑会找到新的应用。此外,这些转换器可以升级模拟设计,而设计师没有任何特别的难度。他们可以通过一个电阻器、远程电压检测、以及单引脚硬件开/关控制,像提供输出电压调节等模拟式功能那样轻松操作。PM¬Bus的“设置后不管”功能也意味着任何3E电源转换器都可用用户定义的参数预先编程。这使得人们有可能为特定应用微调转换器,而不需要目标系统的PMBus。
  与著名的模拟技术相比,数字电源转换的缺点是研发难度非常大,必须生产值得制造数字转换器,这是选择验证、通过资格预审解决方案的主要原因。为了帮助用户进入数字电源环境,爱立信提供应用工程援助并利用大量的技术文件和应用信息其评估套件。
  www.ericsson.com/powermodules

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