智能集成性AC/DC电源控制器

AC/DC冗余电源次级的集成问题很大程度上已经被半导体制造商忽视了。结果就出现了许许多多的分立形式的元件，例如运算放大器、晶体管、电阻器、电容器以及完成各种次级监控的数字逻辑电路。最近又多了一项需求，就是要求电源和系统的其余部分之间能进行更多的通信。带数字接口的智能电源的发展趋势现在正成为大多数新型设计的标准需求。市场上有一些器件具有一定集成度，例如电流检测、电压检测或ORFET控制，但是都需要很多外部电路、微控制器和电子可擦可编程只读存储器（EEpROM）以便提供智能性。此文中，我们将介绍的美国模拟器件公司（ADI）的ADM1041产品，该产品集成了电流检测、电压检测、总线共享和OrFET控制，从而达到了高集成度、提高了灵活性和智能水平。

这款新器件，它也与I2C接口兼容，还可以通过SMBus总线通信，而且具有内置的EEpROM。这样就允许通过设置电源提供极大的灵活性，并且可以显著缩短设计和开发时间。本文介绍了用集成解决方案（例如ADM1041）取代现有的分立解决方案。图1示出了冗余电源中包含的典型次级功能的框图。

尽管电源设计工程师可能不喜欢提成本问题，但是通常它总是设计电源时涉及到的主要问题。元件成本、维护开销、开发、测试和生产等所有因素都要计入设计项目的成本。ADM1041能使电源设计工程师简化和加快新设计的开发。当开发AC检测电路时，重新设置寄存器比重新焊接几个元件要快捷许多。另外，由于ADM1041所具有的高集成度水平，所以它所需要的产品材料清单（BOM）元件数量及其成本要比相应的分立解决方案降低很多。这样也节省了库存与订货问题。图2示出了采用ADM1041构成的冗余电源次级的典型应用解决方案。后面还会讨论节省成本优势的其它实例。

AC/DC电源的终端用户越来越希望具有与系统其它部分的电源相连接的能力。分立解决方案需要微控制器（mC）、EEpROM和许多数字逻辑单元完成监控功能。ADM1041的SMBus接口允许它能与微处理器或总线上的其它系统通信。这样就提高了实现负载共享的灵活性，或者说提高了共享配置的先进性，例如提高可靠性的热平衡能力。ADM1041包含内置的EEpROM，它存储寄存器的设置数据。寄存器内容是可以锁定的，就是说可以将电源安排到现场而不用担心终端用户会覆盖寄存器数值以及由此导致的现场失效。芯片内还有备用的EEpROM，它可用于存储微控制器的编程信息，或者当故障发生时用于存储故障事件。片内EEpROM也可以独立工作。这样就无需微控制器。可提供的用户友好界面软件允许设计工程师快速地对ADM1041编程，而不用担心寄存器映像，不用参考技术资料或写代码。图3示出了接口软件的OCp（过电流保护）编程窗口。

当系统在现场或者在设计阶段发生故障时，还需要额外的数字逻辑电路提供调试系统的能力。当电源中发生故障事件时，ADM1041的内部状态寄存器使用户可以看到实时的标志以便确定故障原因。

ADM1041还提供锁定状态寄存器状态的功能，可以记忆过去某段时间是否有故障发生过。这对于跟踪测试台和测试现场出现的断续性故障情况是很有用的。这种附加的智能性意味着可以监视和控制更复杂的故障情况。例如，OCp超时是可编程的，也就是ADM1041对OCp事件的反应是可以编程的。它可以设定为恒定电流工作模式，或者当OCp事件发生时关闭电源。图4示出了ADM1041的各种监控标志。

产品成本是非常关键的，但电源设计工程师常常事后才想到这个问题。如果采用分立元件解决方案，那么调整由检测电阻器或其它元件引起的误差通常通过操作人员调节电位器来完成。这种人工调整过程的成本相当高，而且仍然保留一定误差。ADM1041在芯片内集成了这种调整的功能。我们为产品测试提供一种简单的软件算法，其中用模数转换器（ADC）或自动测试器代替了操作人员，而且用软件校准ADM1041的调整寄存器。这就是说在最后的测试中不再需要操作人员，因此节省了生产成本和时间，并且保证了每个器件都具有一致性的调整。它还可以调整负载电压和电流检测电路，以便校正由于电阻器误差和放大器误差引起的共模误差和差模误差。这在大批量应用中是一个很独特的优势，因为其生产能力比传统的调整方法显著提高。图5示出了一种可能的生产调整示意图。

目前的主要设计难题就是要求不断提高功率密度。在服务器应用中，像10W/in3的功率密度现在是很普遍的，因为终端用户要求减小外形尺寸同时提高输出功率。这是一种非常棘手的两难问题，因为要提高输出功率势必要求采用增大的功率器件。所以，印制电路板（pCB）占用面积变得越发珍贵。ADM1041在一片24引脚的QSSOp封装中集成了次级端控制的全部功能，从而为功率密度的提高节省了宝贵的pCB面积。多芯片解决方案和分立解决方案还会引起布局和布线问题，以及接地问题。ADM1041还可以用一只热敏电阻器控制风扇，因为随着功率密度的提高散热管理也变得越来越重要。

许多电源设计都是用户定制的设计，为此现有的产品根据不同的用户需求进行轻微的调整。在绝大多数工程项目中，设计工程师都设法重新利用以前的设计或者其中的部分设计，因为它们的特性经过现场彻底地表现、测试和验证。分立解决方案的微小改动都会导致采用几个新的元件，所有元件都需要彻底地调整其性能指标。然而ADM1041具有内部寄存器，可以进行配置以便适合定制应用。这样就允许设计工程师重新利用试验过或测试过的电路，只要为每个新工程项目重新设置ADM1041的寄存器即可。这样就节省了设计、开发和表征特性的成本和时间。改变OCp限制或者电源启动时间就像改变适当的寄存器并且发送给客户一样简单。我们还提供软件用于设计反馈环路，并且包含用于优化环路设计的伯德图。设计工程师只需输入基本的参数和技术指标，就能实现软件自动设计滤波器。图6示出了电压环路设计软件的面板。

当电源设计工程师得到新工程项目的技术指标时，面对挑战是显而易见的。要求降低成本，提高功率密度，减小外形尺寸，加快开发时间，提高集成度，增加功能性和智能性。由于分立的电源设计方法无法满足这些要求，因此显然需要高集成度和灵活的单芯片解决方案。