【導讀】優化效率和解決高端處理器、FPGA 和 ASIC 的復雜電源要求的需要使得有源電源管理成為數據中心服務器、電信系統和網絡設備應用中的關鍵設計要求。同時，設計電源方案的工程師需要限度地減少電路板空間，同時縮短從初始概念到終產品的開發時間。
優化效率和解決高端處理器、FPGA 和 ASIC 的復雜電源要求的需要使得有源電源管理成為數據中心服務器、電信系統和網絡設備應用中的關鍵設計要求。同時，設計電源方案的工程師需要限度地減少電路板空間，同時縮短從初始概念到終產品的開發時間。
為了應對主動電源管理的挑戰，工程師現在必須考慮圍繞 PMBus 規范構建的解決方案，該規范提供了一個用于監視和控制電源管理設備的平臺。為了解決空間限制問題，必須實施組件數量少的解決方案。MPQ8645P 是 Monolithic Power Systems (MPS) 集成 PMBus 的負載點 (PoL) 穩壓器，為工程師提供了一種方法來應對這兩組系統設計挑戰。
系統設計挑戰
服務器、電信和網絡基礎設施中使用的典型電源架構包括一個 AC/DC 前端，負責生成 48V 的直流電壓。該 48V 電壓被饋入 DC/DC 轉換器，為 12V 中間總線架構 (IBA) 供電。然后，這個 12V 電壓被分配到電路板上的多個 PoL 轉換器，為 IC 或子電路供電。這些 IC 或子電路中的大多數都需要在低于 1V 至 3.3V 的電壓范圍內以及數十毫安至數百安培的電流范圍內工作。這些電源軌通常對時序、電壓精度、裕量和監控有嚴格的設計要求（圖 1）。
圖 1分布式電源架構示例
在一個復雜的系統中，可能有多達 50 個 PoL 電壓軌。系統架構師和工程師需要一種簡單的方法來管理這些電源軌的輸出電壓、時序和允許電流。某些處理器要求 I/O 電壓在電壓之前上電。或者，某些 ASIC 需要電壓在 I/O 電壓之前上電。上電和斷電排序也是必要的。必須有一種簡單的方法來實施更改以優化系統性能，并為每個 DC/DC 轉換器存儲特定配置，以簡化設計工作。
為了滿足對主動電源管理不斷增長的需求，許多新的系統設計已轉向采用 PMBus 技術，因為它允許電源具有更大的靈活性。PMBus 簡化了電源的配置、排序和監控，同時確定警告和故障并做出反應。的 PMBus 規范（1.3 版）引入了自適應電壓縮放 (AVS)，它支持處理器降低其時鐘頻率并自主降低電源電壓的能力。這在輸出負載較輕時將自身功耗降至，從而實現顯著的省電效果。PMBus 1.3 版提供了許多進一步的改進，例如更快的 PMBus 速度以提高數據吞吐量，增強輸出電壓跟蹤以通知警告閾值，
隨著系統復雜度的增加和設計周期的縮短，設計資源變得捉襟見肘，因此資源分配主要集中在開發系統的關鍵知識產權上。這通常意味著必須將電源擱置一旁，直到開發周期的后期。由于時間有限，而且電源設計知識可能有限，因此存在開發占地面積盡可能小的高效解決方案的壓力。不斷縮小的電路板面積需求導致利用 PCB 底面來化電路板的空間，但在某些情況下這可能不是一種選擇。理想的解決方案是外形小巧的完整電源。
處理范圍從幾十毫安到幾百安的應用的傳統方法是分立式模擬解決方案。分立模擬解決方案的構建塊包括一個控制器 IC 和一對外部 MOSFET 或驅動器 MOSFET (DrMOS) IC。這些組件使用適當數量的輸入和輸出電容器以及適當的電感器實現，可以滿足基本的電源轉換要求。然而，大多數復雜的現代系統設計都需要監視、控制和獲取系統的實時信息的能力。這些功能可以通過添加更多外部組件來實現，例如電壓監控器、溫度傳感器、模數轉換器 (ADC) 和數模轉換器 (DAC)。這不僅增加了成本，
與傳統的分立模擬解決方案不同，MPS 實施單片解決方案。MPQ8645P 是一款帶 PMBus 接口的 16V 降壓穩壓器，可在單相操作中提供 30A 電流，利用同步整流實現效率，所有這些都在單個硅芯片上完成。它采用耐熱增強型 TQFN (4×5mm) 封裝。MPQ8645P 比使用單獨的控制器 IC 和功率級（不包括外部組件）的分立模擬解決方案小約 20-50%（表 1）。
表 1 MPS 的 IC 面積與分立模擬解決方案
該 IC 需要少數量的外部元件來簡化原理圖和 PCB 布局（圖 2）。電源的基礎設計可以分三步完成：
首先，選擇適當數量的輸入和輸出電容器以滿足應用的電壓和電流紋波要求。
其次，選擇合適的電感來滿足應用的總負載電流需求。
第三，通過在它們各自的引腳和地之間放置一個電阻來編程電流限制和 PMBus 地址。
其余功能和操作可通過 PMBus 解決。由于其高度集成和簡單的設計，穩壓器可以實現 85 – 95% 的典型效率。例如，對于 1MHz 開關頻率應用中的 12Vin 至 2.5Vout，該 IC 的峰值效率高達 95%。
圖2 MPQ8645P單相工作典型應用電路
并聯運行和均流
圖 3 MPQ86459P 在多相操作中的典型應用
該穩壓器還提供了一種處理大功率應用的簡單方法。圖 3顯示了 IC 在多相操作中的典型應用。它具有可擴展性，可以并聯以滿足高負載電流需求。恒定導通時間 (COT) 控制模式架構可確保均衡的負載電流共享和匹配。在多相操作中，所有相的 ISUM 引腳連接在一起。ISUM 的信息是從每個相位收集的，并與平均電流進行比較以確定 TON 脈沖的持續時間。穩壓器可以實現的電流匹配，在 4 相操作的室溫下每相之間的誤差 <2%（圖 4). 這減輕了熱點的可能性。MPQ8645P多可并聯8顆IC，相數可增加至24相，輕松支持720A的輸出電流。
圖 4 MPQ8645P 在 4 相操作中的均流測量
系統監測/控制和調試/微調
使用兼容 PMBus 的電源 IC 比傳統的分立模擬解決方案方法具有許多系統優勢。它們提供輕松靈活的配置、廣泛而準確的系統控制以及詳細而的監控和遙測。
在傳統的分立模擬解決方案中，輸出電壓、電流限制、開關頻率和過流閾值等參數通常通過一個或多個電阻器設置。對應用程序所做的任何更改或更新都需要對實際物理組件進行返工。這意味著每個應用程序都有一組不同的組件供工程師跟蹤。
只需一份物料清單 (BOM)，穩壓器即可支持多種應用。輸入/輸出電壓、輸入/輸出電流（每相和總電流）、開關頻率、故障保護等參數可通過 PMBus 編程。這些參數的調整可以動態改變。該 IC 可以根據手頭的需要調整電源的運行。
該穩壓器還使用內置的多次編程 (MTP) 單元來存儲自定義配置。每次系統針對特定應用進行微調后，工程師可以保存和存儲所有調整后的參數。這允許快速修改并限度地減少物理硬件更改。該 IC 消除了重復性和潛在的密集型勞動活動，使系統微調變得無憂無慮。
該穩壓器符合 PMBus 1.3 標準并具有監控功能。讀取和實時信息（例如：電壓、電流、功率、溫度、開關頻率和故障）的能力可以全面了解電源的性能。這在測試和調試階段甚至系統部署期間非常有用，因為它使工程師能夠通過預測分析優化系統運行時間，并在需要維修時通過獲取更多數據限度地減少停機時間。
結論
主動電源管理是實現系統內適應性水平的關鍵，這對于滿足不斷增長的數據通信和網絡行業的能效需求至關重要。這也是系統架構師和工程師能夠在空間受限和周轉時間緊迫的情況下交付新設計的方式。MPS 的 PoL 調節器是應對這些挑戰的直接解決方案。有了穩壓器，元件選擇、優化和布局的設計負擔就消除了，縮短了整體設計時間、系統故障排除，并終縮短了上市時間。
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