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何时电源模块是正确之选

作者:广州市爱浦电子来源:网络 日期:2017年2月10日 09:19


        电信系统设计工程师在设计新电源时常常面临颇不宽裕的项目最后期限。设计通常开始于在FGPA上实现概念设计,然后构建实际电源。以此原型设计为例,一个隔离式电源模块提供12V电源,为先进的专用集成电路(ASIC)、微控制器(MCU)、现场可编程门阵列(FPGA)和各种其他元件供电。一如既往,这些元件几乎布满整个电路板,同时提供充足的电力、稳定性、散热性能、低噪声以及可靠性受到物理定律的限制。

        由于ASIC、微控制器和FPGA的大电流要求,你可以使用基于分立元件的电源(结合使用分立元件和集成元件)或者基于模块电源的解决方案。在确定了解决方案的规格和外形后,成本、设计工作量和性能之间的权衡是必须加以考虑的条件。不过,如果FPGA和微选项仍然未知且在最后一刻前仍有可能改变,则时间就成为关键因素,有可能出现不可预见的开发延迟。

        如果你是使用分立元件来设计你的电源,那么就需要考虑设计中的所有元件,你就会很快意识到电源模块所提供的价值。分立电源需要许多外围元件,如PWM控制器、开关功率MOSFET、输入电容、输出电容及功率电感。这些元件对不同的设计是各不相同的。例如,如果系统有20个不同的电源轨,则必须为每个电源轨选择这些元件,这使设计电源的任务颇具挑战性。此外,采用分立方案时,确定PWM控制器、FET、电感、补偿电路和其他支持元件的合适组合也会延长设计周期。

        此外,对电路板进行合理布局需要的时间,以及不时需要进行元件采购的成本和时间都是为什么在设计电源解决方案时使用电源模块具有显著优势的重要原因。

        系统设计要求、电路板空间紧张和设计的概念性,决定了你的设计项目应当采用基于模块的解决方案。电源模块可提供完全集成的DC/DC稳压器。这意味着控制器、FET、电感和补偿电路全都包含在单个封装之内。模块可以是模拟式、带数字接口的半模拟式或纯数字式的。

        日益复杂但可靠的配电系统(如基站)常常需要许多电压轨,这些电压轨需要对其他电压轨进行时序控制和跟踪,以便对微处理器、MCU、ASIC、FPGA和系统中存在的其他任何数字逻辑IC施加偏置。要想最大化这些系统在各种工作条件下的性能和减少总功耗,改变功率转换器的电压和控制其工作模式成为一项基本要求。以数字方式管理电源转换和电源输送顺序也成为任何高性能系统的基本要求。对于数据通信和电信基础设施应用,数字电源是行业方向并具有以下优点:

• 支持智能电源管理,以最大化系统性能

        数字电源IC使用电源管理总线协议(PMBus)通过系统管理总线(SMBus)相互通信,PMBus协议是使用数字通信总线与功率转换系统进行通信的标准协议。对功率转换使用SMBus和支持PMBus的器件可提供传统模拟电源系统无法提供的灵活性和控制。通过在设计中采用数字电源,输出电压的调节、电源时序控制和多个电压轨的同步可通过主机控制器、经由基于PMBus协议的I2C通信总线轻松加以管理。

• 缩短系统产品的开发时间

        随着产品设计进入各个阶段,有可能出现设计上的各种变化,包括添加电源轨,增加电源轨的电流或者要求更快速的瞬态响应。通常,这要求对配电系统进行重新设计,但如果使用数字电源,则可轻松地将新电压轨添加到使用工业标准SMBus的电源管理系统。添加新电压轨已经被加入了监控、时序控制、余量控制以及错误检测等方案。针对新电压轨的数字电源IC提供其自己的SMBus地址。不需要因为添加电源轨而进行重新编程或添加独立电源管理IC。数字电源可让系统设计工程师缩短其电源设计时间和将精力集中于为系统产品设计关键特性和功能,减少产品开发时间和研发成本。

• 在提高可靠性和延长产品寿命的同时,降低系统物料(BOM)成

        通过采用数字电源,许多系统管理和电源控制功能可利用固件实现,而无需额外的模拟和电源控制器件。系统设计工程师可对每个电压轨使用相同的器件,并在不进行昂贵硬件改变的情况下改变器件工作情况,因此可以降低总物料(BOM)成本。由于有更少的元件和全面的、数字式管理的保护特性,系统产品能具有更高的可靠性和更长的使用寿命。

• 支持紧凑的系统设计和相同框架内的产品升级

        日益增加的高速数据、语音和视频通信需求推动电信服务提供商升级其网络设备以提供更快、更可靠、功能更多的产品。虽然速度和系统功能增加了,但可用空间有限。这意味着系统设计工程师需要向电路板添加更多功能电路和减少电源占用的面积。通过采用数字电源,许多电源监控和时序控制等功能可用固件轻松实现。因此,电源占用的PCB面积得以减少,并可向相同的电路板面积添加更多功能性IC。

        此外,对于系统监控,数字电源解决方案可提供多种错误反应方法。在产品的整个寿命期间可配置和调整过流和负向电流、过压和欠压以及过温错误和警告的阈值。可通过监测工作温度来动态的调节冷却风扇转速,以降低系统功耗。

        在这个电源设计例子中,选择的是ISL8270M数字DC-DC电源模块。该模块可提供25A连续输出电流,无需风扇或散热器。散热性能增强的高密度阵列(HAD)模块能够使热直接经由电路板发散。模块的ChargeMode数字控制可在单周期内响应负载的变化,无需补偿。另外它还能够最小化输出容值,以增加设计的密度。

        无论温度或输出容值和负载如何变化,ChargeMode控制的特性能让整个设计始终保持稳定。带有ASCR数字补偿器的ChargeMode控制可减少误差采样时刻和占空比产生之间的延迟。这在高频情况下可转化为自然的相位提升从而带来稳定性并使高带宽设计成为可能。

        ASCR补偿器可实现具有固有稳定性的控制回路,其只需对响应带宽的规格进行调优。在一个宽范围的输出滤波配置中,只需改变ASCR增益来达到理想的闭环带宽工作状态。事实上,ASCR模块有两个输入:增益(gain)和残差(residual)。增益设置总体瞬态响应速度,残差是一个抑制因子,主要设置回路的响应速率,其对产生最后的响应性能具有重要意义。

        传统上,电压或电流模式迟滞控制器已经提供了最佳的回路响应,但这些控制器具有在瞬变期间改变开关频率的缺陷。采用ChargeMode控制时,开关频率是固定的,可确保对最终应用中的噪声频谱的严格控制。

        ISL8270M是全数字式开关电源。只需通过添加输入/输出电容就能完成设计。

        引脚设置(Pin strap)模式允许对预编程配置进行快速变更。对于ISL8270M电源模块,可使用名为PowerNavigator的图形用户界面(GUI)设计工具来进行设置和配置。此外,该工具使改变数字电源设计的特性和功能变得容易,无需编写一行代码,从而确保设计能在项目最后期限之前完成。

        概念证明式的设计是电源设计工程师始终面临的一个挑战。系统电源发生变化时会产生各种各样的困难,例如由于误差和性能改进带来的电压变化,或者由于计算错误和FPGA与MCU的不断调整而带来的电流变化等等,这些改变可能会影响功率密度和热设计,最坏的情况可能意味着需要重新计算补偿网络。借助数字电源模块的ChargeMode特性,你能彻底脱离计算书、计算尺、计算器,并且无需联系电源模块的技术支持工程师。利用ISL8270M,电信级应用的电源设计能够在不到一个星期内完成。

 


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