简单智能的高密度电源芯片：30A DC/DC 单片调节器,可兼容 PMBus,8相并联,输出超过240A
作者： Yat Tam, Product Marketing Manager, Monolithic Power Systems
介绍
随着效率优化及高端处理器、FPGA和ASIC等复杂电源的需求呼声越来越高,有源功率管理逐渐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。同时还希望电源设计工程师能够不断缩短开发周期,减小电路板尺寸。
由于PMBus 规格设计可以为检测和控制功率管理设备提供平台，因此面对有源功率管理设计时，工程师不得不围绕 PMBus 规格进行设计。同时考虑到尺寸限制，必须最大限度地减少元器件的使用数量。而MPS 最新推出的集成 PMBus 负载点（PoL）调节器MPQ8645P 便可以轻松解决这两大挑战。
系统设计挑战
在服务器、电信和网络基础设施中，使用的典型电源架构包含一个 AC/DC 前端，负责生成 48V 直流电。该直流电会被输送至 DC/DC 变换器，在这里电压被转换成 12V 中间母线结构。然后将 12V 母线电压分配至板上多个负载点（PoL）变换器中，为芯片或子电路提供电源。但是大多数芯片或子电路所需的电压范围仅为 1V-3.3V，电流范围却为几十毫安至数百安培。且这些电压轨对时序、电压精度、裕量和检测能力的设计要求非常严格。(见图 1)
图 1: 分布式电源架构示例
在这一复杂系统中，有时可能存在50多个负载点（POL）电压轨。系统架构师和工程师需要设计出一种简单的方式来管理这些电压轨，包括输出电压、时序和最大允许电流。其中，有些处理器要求I/O电压先于核心电压上电，而有些ASIC则要求核心电压先于I/O电压上电，同时还需要上电/下电时序。只有采用简单的方式来更改系统参数，优化系统性能，并为每个DC/DC转换器存储特定的配置，才能简化设计。
为满足有源功率管理的增长需求，很多新系统设计转向采用PMBus技术，因为其供电更加灵活。PMBus 可以简化配置、时序以及电源检测功能，同时还能测定和响应警报及故障。最新的PMBus规格（1.3版本）介绍了自适应电压调节功能（AVS），该功能可以支持处理器自主降低时钟频率和电源电压。这样，当输出负载较轻时，它自己的功耗就会降到最低，从而显著节电。PMBus 1.3 版本进行了诸多改进，比如更快的PMBus速度以加载更大的数据量[AP1] [YT2] , 更强的输出电压跟踪系统以报告[AP3] [YT4] 警报阈值，还有用于与高优先级设备进行高速通信的快速区域读/写功能，以及允许在更宽范围内实现更高精度的修订数据格式。
一旦增加系统复杂性，缩短设计周期，设计资源会变得更加紧缺，主要取决于开发系统的关键知识产权。这通常意味着只能在开发后期才能关注电源。由于开发周期短，且电源设计专业知识有限，研发出尺寸小效率高的解决方案简直是难上加难。面对不断缩小的电路板面积，只能在电路板背面做文章，而有些情况下，此种方法也不可行。理想的解决方案就是将整个电源集成在小型封装中。
MPS 最新方案出炉
通常，处理从几十毫安到数百安培应用程序的传统方式会采用离散模拟解决方案。离散模拟解决方案的构建块由一个控制器 IC 和一对外部 MOSFET 或一个驱动 MOSFET（DRMOS）IC 组成。这些部件采用适当数量的输入输出电容和电感来实现基本的功率转换要求。然而，最先进的现代系统设计要求具有监控、控制和获取系统报告实时信息的能力。这些特性可以通过添加更多的外部组件来实现，例如电压监测仪、温度传感器、模数转换器（ADC）和数模转换器（DAC）。这样不仅增加了成本，还占用了大量的电路板空间，与最先进的现代系统设计理念相悖。
与传统的离散模拟解决方案不同，MPS提出了一种整体解决方案-- MPQ8645P 是一款16V降压稳压器，可兼容 PMBus 接口，其单相电流传输能力高达 30A，采用同步整流器以获取最高效率，将所有元器件集成在单个硅片中。MPQ8645P 采用散热性能更强的TQFN(4mmx5mm)封装，尺寸比使用独立控制IC和功率级（不包括外部器件）的离散模拟解决方案小20-50%(见表1)。
表 1 芯片占板面积：MPS vs 离散模拟解决方案
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MPS PMBus 解决方案 |
离散模拟解决方案 #1 |
离散模拟解决方案 #2 |
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控制器 |
- |
3mm x 3mm 封装 |
3mm x 3mm 封装 |
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外部 MOSFETs (双通道) |
- |
5mm x 6mm 封装 |
- |
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DrMOS |
- |
- |
3.5mm x 4.5mm 封装 |
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集成解决方案 |
4mm x 5mm 封装 |
- |
- |
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总芯片面积 (mm2)(mm2) |
20 |
39 |
24.75 |
MPQ8645P 可以最大限度地减少外部元器件的使用数量，简化电路图和 PCB 布局指南(请见图2)。仅需3步便可以完成电源基本设计工作。第一步，选择合适的输入输出电容数量，满足应用的电压电流纹波要求。第二步，为应用挑选合适的电感，满足总负载电流要求。第三步，将电阻从各自的引脚处接地，设置电流限和PMBus地址。其他功能和操作也可以通过PMBus进行编程。由于 MPQ8645P 的高度集成性和极简的设计，其典型效率高达 85 - 95%。比如，在12V输入至2.5V输出的1MHz开关频率应用中，MPQ8645P的峰值效率可达95%。
图 2: 单相工作时的MPQ8645P典型应用电路图
并联和均流工作
图 3: 多相工作时的MPQ8645P典型应用电路
MPQ8645P还可为大功率应用提供一种简单的设计方法。图三展示了多相工作时的 MPQ8645P 典型应用电路图。它具有可扩展性，并且可以通过并联方式满足大负载电流需求。恒定导通时间控制模式可确保平衡负载电流的共享和匹配。在多相操作中，所有相位的ISUM引脚连接在一起，从每个相位收集有关ISUM的信息，并与平均电流进行比较，以确定 TON 脉冲的持续时间。MP8Q8645P 可实现精确的电流匹配功能，每相误差[AP1] [YT2] 室温下的4相操作(请见图4)。 (见图 4).。这可以降低热点的潜在风险。MPQ8645P 可并联高达8个IC，最多相位高达24个，可轻松支持最高720A的输出电流。
图 4: 4 相操作时，MPQ8645P 电流共享测量
系统监控/控制和调试/微调
与传统的离散模拟解决方案相比，采用可兼容PMBus的电源IC具有诸多系统优势。它可以提供简单而灵活的配置、电路板和准确的系统控制，以及具体而精确的监控和遥测功能。
在传统的离散模拟解决方案中，像输出电压、电流限值、开关频率和过流阈值这些参数通常需要一个或多个电阻来设置。应用中的任何变更或更新均需要通过实际物理部件的返工或变更来实现。这就意味着每个应用程序都需含有一组不同的组件供工程师跟踪。
MPQ8645P 仅需一套BOM就可支持各种不同的应用。如输入/输出电压、输入/输出电流（每个相位和总相）、开关频率、故障保护以及更多其他参数均可通过PMBus来编程。而且还能动态调节这些参数。可以说，MPQ8645P 让电源芯片变得更加人性化。
MPQ8645P 同时还采用了内置可多次编程（MTP）芯片，用来存储自定义配置。工程师可以在每个系统微调到特定的应用程序以后，保存和存储所有调整的参数，以便快速修改参数，最大限度地减少物理硬件的更改。MPQ8645P 避免了潜在的重复劳动，让系统微调变得无障碍。
MPQ8645P 可兼容PMBus 1.3，具有监控能力，能够读取和报告实时信息（例如：电压、电流、电源、温度、开关频率和故障），从而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都非常有用，工程师可以通过预测性分析优化系统运行时间，并在需要修复时利用更多数据来最小化停机时间 。
结论
有源功率管理方法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。同时也成为系统架构师和工程师提供小尺寸和短设计周期新设计方式。MPS最新的PoL调节器-MPQ8645P可直接解决这些挑战。采用 MPQ8645P 无需进行元器件的选择以及优化和布局设计，大大缩短了总体设计和系统故障解决时间，最终加快了上市时间。
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