人們對高效電源的需求和電子產(chǎn)品尺寸的減小，推動(dòng)著(zhù)數字電源技術(shù)和功率管理技術(shù)的發(fā)展�，F代化的功率管理半導體已經(jīng)將功率開(kāi)關(guān)與多個(gè)相關(guān)保護及控制電路集成在一起，來(lái)降低功率管理設備中的電路板占位面積，并實(shí)現了保護、控制與故障監控等功能的組合。同時(shí)，數字化電源管理集成電路不滿(mǎn)足于僅有的電壓、電流、溫度等參數的檢測，逐步發(fā)展為集成了數字化PWM 控制、ADC和通信功能，并正在向著(zhù)成為完整的電源片上系統的方向不斷發(fā)展。

1 數字化電源管理技術(shù)介紹及應用
新一代集成電路需要3．3 V，1．8 V甚至更低的電源電壓，單個(gè)器件需要多路電壓供電，而且電流的需求很大，電壓也必須以正確的時(shí)序加到器件上。為這些器件供電的電壓必須在電路板上(最好在距離這些器件近的地方)產(chǎn)生，以使壓降最小和電壓穩定。高性能的DC／DC轉換器適用于寬范圍輸入，既可作為隔離式電源，也可作為非隔離負載點(diǎn)轉換器。因此，大多數板載電源系統已經(jīng)采用DC／DC轉換模塊作為供電主體。但是，若缺少了電源管理電路，則無(wú)法構建一個(gè)完整、健全的電源系統。電源管理的內容包括：電源系統監控、定序和跟蹤、監視和失效保護。電源管理器件在輸入端處理共模抑制、起動(dòng)限制、起動(dòng)和關(guān)閉的控制，甚至功率因數校正等功能。配置在輸出端的電源管理器件控制啟動(dòng)定序和輸出電壓調節，并為過(guò)欠壓、過(guò)流情況提供相應的失效保護。所有相關(guān)功能電路均要求與主電路隔離。圖1所示為在隔離型AC／DC變換器中電源管理器件的主要應用。
專(zhuān)用的數字電源管理器件比通常采用的模擬電路或微控制器、可編程邏輯器件等方法在成本、開(kāi)發(fā)周期和可靠性方面具有較大優(yōu)勢。新一代的數字電源管理器件內部集成了能夠滿(mǎn)足實(shí)時(shí)監控需求的快速ADC，使它能比通用微控制器的片外ADC更快地反映失效。監測數據通過(guò)I C或PMBus總線(xiàn)傳輸給電源主控制器，用以實(shí)現精準的調壓設置、故障保護等功能。內部的時(shí)鐘可實(shí)現故障記錄。對于多路輸出的電源系統，數字電源主控制器實(shí)時(shí)地通過(guò)總線(xiàn)接口從各輸出端的管理器件內讀出各路輸出的監測數據，實(shí)現了電源系統的全面監視。一旦軟件設計通過(guò)，相同的源文件和配置文件可以用于該設計的所有產(chǎn)品，性能在單元之間是一致的，而模擬電路則會(huì )因元件本身差異導致性能不一。   
傳統的，依靠模擬電路實(shí)覡電源管理，通過(guò)放大器、比較器和RC時(shí)間延遲來(lái)設置各個(gè)參量的電源系統管理電路已經(jīng)比不上數字化電源管理器件的優(yōu)越性。隨著(zhù)設計的深入，元器件不再隨著(zhù)參量的改變而改變，電路板也不再需要反復重新加工。采用專(zhuān)門(mén)的數字電源管理器件，允許通過(guò)配置軟件來(lái)設置工作參量。設計期間的更改可以很容易地通過(guò)軟件實(shí)現，不需作硬件的改變。配置軟件只要求設計人員調節少數參量，當所有參數設置完畢后，可以通過(guò)I C端口用編程下載線(xiàn)下載到數字電源管理器件中。圖2為典型的電源管理器件的內部功能單元框圖。  
除了專(zhuān)門(mén)的電源管理集成電路應用在電源系統的監控上以外，新一代集成電路也在自身的設計上，增加了減小功耗和部分功率管理方面的功能，提供了與數字電源、數字化電源管理器件的通信接口。這已經(jīng)在較高檔的數字處理器上得到了體現。通過(guò)數字處理器和DC／DC變換器、數字電源管理單元之間的通信，處理器可以根據自身當前的處理速度和任務(wù)強度自動(dòng)調節所需的電源電壓。數字電源和功率管理單元內部包含若干寄存器，當處理器所需要的電壓發(fā)生變化時(shí)，則通過(guò)總線(xiàn)接受新的數據來(lái)配置相關(guān)寄存器，或者在數字電源內部程序的查找表中找到相關(guān)設置值。此種方案在功耗要求嚴格的領(lǐng)域正成為主流應用。對于內部各部分供電分開(kāi)的處理器，可將正處于待命或睡眠狀態(tài)的功能單元完全斷電，這將進(jìn)一步減小功耗，但對于供電管理提出了更高的要求，不僅輸出端口增加，對不同端口的設置和監測將顯著(zhù)增加數字電源管理單元內程序的復雜程度。處理器內部的硬件性能監視器則可以實(shí)現在特定時(shí)間內提供最低的供電電壓。監視器的信息直接來(lái)源于處理器內部，所以監視系統的閉環(huán)完全處在處理器芯片內部，實(shí)現了功率管理的SOC設計

2 PMBUS數字電源開(kāi)放標準協(xié)議
PMBus(電源管理總線(xiàn))開(kāi)放標準規范定義了一個(gè)用來(lái)控制功率轉換和管理器件的數字通信協(xié)議。在供電要求較復雜的系統中，通常使用多個(gè)DC／DC轉換器來(lái)產(chǎn)生不同的半導體器件所需要的供電要求。導致一個(gè)明顯結果就是在產(chǎn)品設計、生產(chǎn)測試及日常使用的過(guò)程中，控制和監測這些電源將變得更加復雜。目前，許多高性能DC／DC轉換器仍然通過(guò)無(wú)源元件產(chǎn)生的模擬信號來(lái)進(jìn)行控制。即使采用最先進(jìn)的電源電路拓撲，也不得不使用外部的電位器和電容來(lái)調節諸如啟動(dòng)時(shí)間、輸出電壓值及開(kāi)關(guān)頻率等參數，而且這些參數不能隨時(shí)更改。 
PMBus是一種開(kāi)放型標準的數字電源管理協(xié)議�？赏ㄟ^(guò)定義傳輸和物理接口以及命令語(yǔ)言來(lái)實(shí)現變換器與其他設備的通信。PMBus的傳輸層是基于低成本的S us(系統管理總線(xiàn))的1．1版本，這是個(gè)功能強健、符合工業(yè)現場(chǎng)應用標準的I C串行總線(xiàn)的版本，具有分組校驗和主機通知的功能。PMBus繼承了SMBus的SMBALERT信號，該信號可使從屬設備中斷系統主機對總線(xiàn)的控制，此方式一方面減少了系統主機的負擔，使主機在大多數時(shí)間內進(jìn)行閉環(huán)控制；另一方面比用專(zhuān)門(mén)的微控制器來(lái)查詢(xún)的方式更靈活。此外，PMBus協(xié)議將從屬設備的默認配置數據保存在永久性存儲器內或者在硬件上設置好，在上電的過(guò)程中，不需通過(guò)總線(xiàn)通信來(lái)得到初始配置信息，縮短了啟動(dòng)時(shí)間，也減少了一部分總線(xiàn)數據傳輸。除了SMBus的時(shí)鐘、數據及中斷線(xiàn)之外，PMBus協(xié)議還規定了兩種與電源轉換設備共同使用的硬件信號，一個(gè)是與總線(xiàn)發(fā)出的命令共同使用的控制信號，用于啟動(dòng)和關(guān)閉單個(gè)從屬設備；另一個(gè)是可選的“寫(xiě)保護”信號，用于防止更改從屬設備存儲器中的數據。與其他總線(xiàn)不同的是PMBus的主控設備不是專(zhuān)門(mén)的集成電路，這給進(jìn)行電源管理的主控設備選型提供了靈活性。當電源系統比較龐大時(shí)，可以采用PC機配置相應的數據采集板卡來(lái)完成各種管理功能，而對于較小的電源系統則可以是單板上現成的微處理器、一些額外的低成本的微控制器或者是PLD器件中的一些門(mén)。在產(chǎn)品開(kāi)發(fā)的不同階段，可以使用不同的設備作為PMBus的主機。在單板設計階段，一臺便攜式電腦可以作為總線(xiàn)主機；而在產(chǎn)品實(shí)際應用時(shí)，則使用板上主處理器中的一些硬件資源來(lái)控制PMBus總線(xiàn)。在開(kāi)發(fā)階段，可以通過(guò)PMBus總線(xiàn)動(dòng)態(tài)修改從屬設備中的設定值和配置，對于不同的電源系統，可以借鑒相同的PMBus總線(xiàn)配置，只需修改某些特定數據。最終通過(guò)測試的設定值和配置通過(guò)寫(xiě)保護功能永久保存在從屬設備的存儲器之中。圖3所示為一個(gè)基于PMBus的數字電源管理典型連接結構圖。
PMBus的通信是按照一個(gè)簡(jiǎn)單的命令集進(jìn)行的。每個(gè)數據包包含一個(gè)地址字節、一個(gè)命令字節、若干個(gè)數據字節，以及一個(gè)可選的包檢驗碼字節。圖4所示為一個(gè)主機到轉換器的信息傳輸。主機使用單獨的“開(kāi)始”和“停止”來(lái)表明進(jìn)程開(kāi)始和結束。而從屬設備則使用單獨的位來(lái)確認收到的每個(gè)字節。與其他總線(xiàn)協(xié)議不同的是，PMBus總線(xiàn)不會(huì )等待專(zhuān)門(mén)的“執行”命令，從屬設備在收到“停止”信號后，立即處理并執行命令，符合電源管理的快速性要求。由于在開(kāi)發(fā)之初就考慮到其開(kāi)放性和超前性，PMBus總線(xiàn)協(xié)議支持的指令集可以提供兩個(gè)命令的擴展，該擴展可以有效地允許雙字節命令。一個(gè)擴展留給PMBus設備的生產(chǎn)商，另一擴展則由于協(xié)議本身的后續升級和修訂。實(shí)際應用中，PMBus協(xié)議簡(jiǎn)單實(shí)用的指令集使得電源管理程序的編寫(xiě)更加快速、簡(jiǎn)便。負載點(diǎn)轉換器的電壓時(shí)序控制的實(shí)現就是很好的例子。上電時(shí)序控制對應著(zhù)有兩個(gè)PMBus命令，TON—DE—LAY命令設定了轉換器等待開(kāi)始上電的時(shí)間，而TON RISE則設定了從零增加到設定輸出值的時(shí)間。所以，用戶(hù)可以通過(guò)相關(guān)軟件即可對每個(gè)轉換器的啟動(dòng)延遲和上升時(shí)間進(jìn)行設定。同樣，對于掉電時(shí)序控制，也有對應的掉電延遲命令TOFF_DELAY和下降時(shí)間TOFF—FALL設定。顯而易見(jiàn)，對于整個(gè)供電系統的啟動(dòng)和掉電的時(shí)序控制通常只需要4個(gè)PMBus命令來(lái)設定。PMBus已經(jīng)得到了業(yè)界的認可。

3 數字電源管理技術(shù)的展望
電源管理是當今熱門(mén)的電子技術(shù)，有關(guān)數字電源的PMBus控制協(xié)議、單片數字電源管理器和數字電源、分布電源拓撲等新產(chǎn)品、新拓撲和新解決方案等層出不窮，電源管理的市場(chǎng)在快速增長(cháng)，伴隨著(zhù)的是電源的數字化、小型化、集成化、高效化和智能化�？梢灶A見(jiàn)的是，更高集成度和更多可編程性的電源管理半導體將會(huì )不斷應用在各種電源系統中。同時(shí)，符合PMBus的電源和轉換器也會(huì )不斷地涌現出來(lái)。隨著(zhù)半導體器件集成度的提高和數字技術(shù)的不斷發(fā)展，數字化的電源控制與管理必將融合到同一硅片上來(lái)，集成了PWM 控制和完善的智能化管理功能的數字電源控制管理芯片必將給工程應用帶來(lái)極大的便利。