利用智能电源转换器全面提升系统性能

一年前，整个电源行业的流行语就是“智能”，该行业的专家和市场分析师们似乎都认同电源行业的未来属于数字电源管理，而且几家领先的电源制造商也都先后发布了数字可编程产品。本文着眼于智能电源转换方面的一些近期发展，力图为该行业描绘出一幅中期路线图。

PMBus协议破除专有技术垄断

一直以来，AC/DC和DC/DC电源转换发展的重点主要都在降低成本、缩小尺寸、提高效率和提升功率密度上，随之而来的要求就是适应半导体器件不断降低的工作电压和不断增大的电流需求。最近几年，又出现了一种新的设计目标，即通过整合更多智能化功能以增强系统级功能，主要是配置、控制和监控功能，从而帮助用户降低产品总成本。

最初，主要工作集中在数字通信领域，有许多总线标准共同竞争在该领域的主导地位。然而，由于缺少行业范围的共识，从而导致各电源芯片制造商开发出各不相同的方案，结果每家都有自己的专有架构和软件。鉴于此种情况，2004年10月，Astec Power和Artesyn Technologies两家公司联合6家世界顶级半导体制造商，共同创立了PMBus协议，力图通过协议的来解决专有电源解决方案及其相关的授权协议限制。

PMBus是一套真正的开放标准数字电源管理协议，它全面定义了各个电源和转换器之间相互通信所需的传输和物理接口以及指令语言。该协议的第一版于2005年3月正式公布，其所有权转移给系统管理接口论坛(System Management Interface Forum)。系统管理接口论坛(www.powerSIG.com)是一个独立的特别兴趣小组，负责该标准的发展和推广。最新的规范草案Revision 1.1X2已于2006年4月发布。

PMBus总线传输层是建立在低成本的1.1版系统管理总线(SMBus)基础上的。而1.1版SMBus则是工业标准I2C总线的一个更健全的版本，具备数据包检错和主机通知功能。除了SMBus的时钟、数据和中断线之外，PMBus协议还定义了两个硬连线信号供电源转换器件使用：一个是控制信号，与总线上接收到的指令共同作用，来开关单独的从器件；另一个是可选的“写保护”信号，用于保护存储器中的数据不会进行任何改变。一种典型的总线实现方框图见图1。

SMBALERT信号允许从器件中断系统的主设备(主机或总线)。这一安排从本质上就比让主器件不间断地来选取从器件更方便，而且给主处理器带来的负担也更小，从而使设计师更容易实现事件驱动的闭环控制方案。而且，PMBus协议规定，所有从器件要么必须将默认的配置数据存储在非易失存储器中，要么就必须采用管脚编程，也就是说从器件必须能在没有总线通信的情况下启动。采用该总线的方案，系统启动时间远短于市场上的其他数字控制方案，因为其他方案都要求主器件在上电初始化程序中配置所有从器件。

图1：基于PMBus的数字电源管理的典型连接方框图。

PMBus正在被越来越多的厂商接受。迄今为止，已经有30家世界领先的电源和半导体制造商采用了该总线标准。最近的一家是2006年9月宣称加入PMBus组织的英特尔公司，该公司声称相信PMBus将是最佳的电源和热管理接口，而且他们打算帮助推动该标准发展，以便满足企业数据中心的应用需求。

分布式电源系统处于领先地位

近几年，分布式电源系统，包括隔离式AC/DC前端和多个非隔离式DC/DC转换器(有时也叫做非隔离式负载点(POL)转换器)非常流行，甚至有人说是为板上半导体器件提供最终电压的必不可少的方法。基于此类电源系统的分布式特性日益显著，而且行业内对电源器件(例如SMBus)中的数字通信技术也比较熟悉，因此这类系统，尤其是DC/DC负载转换器，理所当然成为数字化的一个理想选择，从而可能好不惊奇地最先成为市场上的主流数字可编程电源转换产品。

例如，大力支持PMBus协议的Artesyn就已经在试销一款带PMBus的POL转换器产品。该产品在电路设计师中好评如潮。尽管目前市场受专利诉讼的影响，相关的半导体开发一直保持快速进展，而且在数字技术展现魅力的系统级电源管理领域，电源转换市场的其他区域的发展也相当活跃。

数字控制的硬件已出现

PMBus实现者论坛(PMBus Implementers' Forum)目前列出了八家领先的半导体公司设计的多款数字电源管理芯片，每一款都具备符合PMBus协议的数字控制接口和详尽的PMBus指令集。该论坛的成员都是赫赫有名的半导体公司，例如凌力尔特、美信集成电路、Primarion、Silicon Laboratories、TI和Zilker Labs。

图3：Astec的DTX系列隔离式砖型电源产品采用带扩展PMBus指令集的全数字设计

这些数字电源控制芯片的出现意味着智能电源转换产品的用量正在增加，不过市场的起飞相对还比较慢。事实上，AC/DC电源采用数字接口进行监控和报告结果已经有几年了。例如，许多服务器应用中的电源就采用了电源管理接口(PSMI)实现电压、电流、温度和风扇的监控。由于PSMI已经采用了SMBus进行通信，因而向基于PMBus的控制过渡，将数字控制的应用扩展至监控之外，并用于实现由主系统进行的主动电源管理，也就成为自然而然的事情。此外，AD/DC电源也开始更多地利用数字接口进行配置和设置，ASTEC的iMP系列电源就是一个很好的例子，这些电源能提供强大的基于PMBus的可编程配置功能。

目前，人们普遍仍认为数字可编程电源和转换器比相应的但不如它们灵活的模拟器件贵得太多，制造商们也一直在苦口婆心地解释说这是由于早期产品以及对系统级电源的成本分析不全面而带来的误解。事实上，只要使用得当，新型智能电源所提供的先进的系统级控制功能反而能降低系统的整体成本。此外，关于数字控制的DC/DC砖型转换器引脚排列标准(pin-out standard)，业内还有争议，如何在更小型的外形结构上布置额外的信号线也是一项挑战，人们担心制造商要去哪里寻找这些额外的空间，尤其是在体积只有原来的1/16的时候。

然而，大多数产业分析师都预计智能电源转换产品即将开始快速发展。图2给出了数字控制方面的发展预测图，即使是最保守的一条上升曲线也预计，到2010年，数字控制的电源产品将占据整个市场的40%。这些增长图是针对AD/DC电源和电信专用DC/DC转换器的，但据预测，标准隔离式砖型DC/DC转换器也有类似的变化，到2010年，数字控制的产品将占市场的35%~65%。

图2：数字电源控制产品的增长曲线图。

图4：Artesyn的新型中间总线转换器ATC210配备了I²C串行总线和直接高速接口用于监控、报告和故障阀值的数字编程

图5：Astec的iMP系列AC/DC智能电源具备强大的基于PMBus的编程和监控功能

例如，在过去这一年，同属于艾默生网络电源的Astec Power和Artesyn就已经推出了符合PMBus规范的DC/DC转换器和AC/DC电源，以及I²C控制的中间总线转换器(IBC)。数字控制发展成为电源转换产品的主流所要花的时间也许比人们预计的还要长，现在看来，将其看作正常的发展可能比将其看作革命性的发展更好一些。不过，要否认数字控制在电源转换产品中的未来潜力还是需要很大勇气的。