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[导读]服务器、以太网交换机、基站和存储附件盒等云基础设施终端设备对电源的功率密度要求正在增加。作为回应,将集成 MOSFET(金属氧化物半导体场效应晶体管)DC/DC 转换器用于大电流 POL(负载点)轨,传统上由带有外部 MOSFET 的 PWM(脉宽调制)控制器提供服务,这已成为主流. 此外,为高性能处理器和 FPGA 执行高级任务的需求,如自适应电压缩放(基于处理器操作配置文件的动态 Vout 调整以优化功率损耗)也变得很重要。此外,电源设计人员越来越关注消除外部组件、提高可靠性和防止故障发生。

服务器、以太网交换机、基站和存储附件盒等云基础设施终端设备对电源的功率密度要求正在增加。作为回应,将集成 MOSFET(金属氧化物半导体场效应晶体管)DC/DC 转换器用于大电流 POL(负载点)轨,传统上由带有外部 MOSFET 的 PWM(脉宽调制)控制器提供服务,这已成为主流. 此外,为高性能处理器和 FPGA 执行高级任务的需求,如自适应电压缩放(基于处理器操作配置文件的动态 Vout 调整以优化功率损耗)也变得很重要。此外,电源设计人员越来越关注消除外部组件、提高可靠性和防止故障发生。

如今,TI 提供的 TPS544C20 和 TPS544B20 电源转换器将这两种非常强大的理念结合到一个 IC 中。一方面,它们集成了具有 30A 和 20A 极高电流承载能力的 MOSFET,另一方面,它们具有 PMBus™ 控制功能。

什么是“PMBus”,为什么它是如此有价值的电源功能?PMBus,代表“电源管理总线”,是电源管理的“遥控器”。PMBus 控制包含一个强大的理念,我们可以使用软件命令即时控制和编程电源管理设备。这在纯模拟设计中是无法实现的,我们需要在设计阶段设置器件行为并选择电阻器和电容器。使用 PMBus 协议,控制处理器可以改变开关频率、电流限制和输出电压等内容。PMBus 还可以提供遥测,即读取 IC 温度和电流等信息,以便处理器可以动态监控电源系统。

PMBus 的想法源于1980 年代早期开发的流行的 I 2 C 总线。I 2 C 总线代表 Inter-IC(集成电路),是一种用于控制和监视任何电子系统的通用总线。它是一个简单的总线协议,取代了当时存在的许多专有协议。从 I 2 C 总线,产生了 SMBus 协议或系统管理总线,定义于 1995 年。SMBus 与 I 2略有不同C,因为它添加了数据包错误检查,使其更加健壮。SMBus 曾用于 PC 和服务器,但业界很快意识到,系统的电源管理需求最好由通用协议和标准集来满足,最终形成了 PMBus 控制的定义。PMBus 在使用 SMBus 作为物理层的同时,建立了电源管理协议,取代了几个专有协议。

TI 的 SWIFT™  TPS544C20和TPS544B20是业界首款具有集成 FET 和 PMBus 数字接口的 4.5V 至 18V、30A DC/DC 转换器。为了方便工程师使用这些产品进行设计,我们在WEBENCH® Power Designer中添加了支持。在 WEBENCH 工具中,我们可以练习许多 PMBus 命令并查看直接影响,帮助我们快速分析设计并制作原型。

例如,让我们使用 PMBus 命令实时更改控制器的输出电压。假设我们想在对功率敏感的应用程序(如笔记本电脑)中降低微处理器的性能,以节省电池寿命。如我们所知,微处理器的功耗与 CV 成正比。功耗取决于电压的平方,因此降低电压对降低功率的影响更大。微处理器可以动态地向电源转换器发出 PMBus 命令,以通过 PMBus 总线降低输出电压。此 Vout 转换命令由TPS544C20或TPS544B20执行以更改其 Vout。设计步骤如下图所示。

我使用TPS544C20创建了一个设计,额定输出电压为 3.3V,输出电流为 20A。输入电压为 4.5V 至 5.5V。在高级选项中,我将 PMBus 命令 Vref Margin Low 设置为 -16.67%,并将操作裕度设置为“Margin Low”以降低输出电压(图 1)。

 

1. 在“高级选项”WEBENCH 面板中设置 PMBus 命令。

这将TPS544C20设置为将 Vout 从标称值 3.3V 转换为 2.75V,降低 16.67%。我们可以在 WEBENCH Power Designer 中使用在线“Vout 转换”仿真来仿真这种效果(图 2)。

2. Vout 转换仿真。

如果放大输出电压波形,我们将看到输出电压纹波以及平均 Vout,从 3.3V 转变为 2.75V。Op Val 部分中的操作值指示新 Vout 的所有变量。

尝试使用 PMBus 功能在WEBENCH Power Designer中创建 PMBus 系统电源设计,并通过在线 SPICE 仿真分析设计。


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