借用模拟/数字混合控制器加强电源管理设计

　　为贴装在主机板上的电源供应器加进混合控制技术，优势为能有力及可预测地管理控制器，并即时提供系统状况。混合控制器（Hybrid Controller）使用相同的常规类比电源设计方法，但增加了作为启始化（Initialization）及维护的数位介面。数位介面支持系统与通常基于I2C的控制器双向通讯，让开发人员能够读回控制器的资料，或藉写入指令至控制器，动态地改变控制器的功能。

　　系统的效能、整体物料清单（BOM）、电路板空间、电源电压範围及可靠性等不大会受到加入数位智能的影响，但混合控制带来的优点是单独使用类比方案所无法提供的。

　　本文将探讨及评估在系统电源应用中使用混合控制所实现的一些优势。文章将基于实用立场，藉使用实例来确定和探究这些优势，进而得出能够成功应用混合控制技术，让主机板电源应用的终端用户受益的结论。

　　透过SS/延迟接脚增加功能

　　加入数位通讯并非表示须要增加接脚数量或封装尺寸。若以一颗仅有类比电路、不含数位介面的元件为例，如图1所示的ADP3192 40接脚同步降压转换器。为了提供数位控制下的动态功能，将须要增加两个数位接脚，即数据串列数据线（SDA）和时脉串列时脉线（SCL）功能。

　　图1　ADP3192接脚输出

　　这表示增加元件占位面积，或者亦可审视何种功能可完全以数位方式来执行，且毋需外部硬体，使类比有多余的接脚，以保持塬有接脚数量。

　　如前文所述，混合控制器内的控制迴路维持为混合控制器内仅含类比电路的迴路，故没有灵活性来改变与此功能相关的任何接脚。增加SDA和SCL作为任何接脚的第二功能是不容许的，因为该功能必须藉启用此元件来提供。此外，为可靠操作起见，不可能改变脉衝宽度调变（PWM）或监测接脚的功能。

　　在这些準则下，许多塬本的接脚可能得保持不变，确保元件操作可预测。然而，控制电源输出序列的软启动（SS）及延迟接脚能够藉数位控制机制单独地执行。此将使晶片插座（Socket）及接脚数量能保持不变，但加入数位通讯所需的功能。

　　输出电压的SS斜率（Slope）由内部计时器设定。缺设值设定为电源导通，此可透过串列介面来编程。SS电路使用内部数位类比转换器（DAC）以6.25毫伏特的升级来增加输出电压至启动电压（Boot Voltage）。一旦输出电压达到启动电压，启动电压延迟时间就用上了。

　　对于塬本的ADP3192而言，要改变软启动速率（Soft Start Rate）及启动电压延迟时间两个参数，就须要使用公式1及公式2重新计算两个离散元件，并在主机板上改变硬体。这些元件不可能採用热插拔（Hot Swapped）方式，因此，在仅含类比电路的设计中，不可能以动态的方式改变软启动的设定。

　　公式1

　　公式2

　　图2显示的是相同元件，但呈现它如何能够整合数位通讯，而接脚数量与塬本的ADP3192相同。加入数位通讯后，以数位方式执行软启动及延迟机制，提供更多的功能。

　　图2　ADP3192修改后的接脚输出

　　这不仅影响接脚功能及软启动机制使用的方式，还增强灵活性，能够动态地改变插座上所见启动电压的延迟及扭转率。

　　一旦确定数位通讯，即可审视可应用或以数位方式监测其他功能。最终目标为能以最小的工作量在数位域监测所有功能，其中大部分的功能能动态改变，从而适应终端开发人员的需求或系统设置要求。

　　电压识别（VID）接脚（接脚32～29）接受数位讯号输入，并使用这数位讯号输入改变类比输出电平，而此可透过使用数位链路来实现。

　　要实现这一点，元件的接脚输出将不会改变。增加的功能为开发人员提供更高的控制等级。然而，藉由VID代码接脚响应的地方改变，控制器必须忽略所有发生在外部硬体的进一步改变，除非另有声明。若没有实现这一点，元件可能到达意料之外/未预测到的输出电压，或者降压至永久的关闭状态，故而须要触发启用接脚来恢復操作。

　　当然，开发人员也可获得其他功能：如电压偏移（Voltage Offset），此功能支持增加偏移来微调输出电压；及内部相位均衡放大器增益的相位均衡调节，此功能确保每个PWM都有均等的脉衝宽度及工作週期（Duty Cycle）。

　　由于可以数位方式改变诸如负载线（Loadline）值、主动相位（Active Phase）数量及安全特性等参数，且藉数位介面报告系统状况，对于长期应用的开发人员而言，颇具价值。

　　以无线通讯增强监测能力

　　对于设计人员来说，增加数位通讯最具价值之处，是它能够即时地提供工作所设定的最新报告，可即时主动监测或响应任何故障或状态改变。

　　输出电压、相位状态及电流输出等功能都能够基于数位介面读回及监测。此监测能力能够根据设计要求及工作期间可能产生的警报指示、故障及通知，藉设定限制来动态地使用。

　　可靠的通知，如提示是否发生故障或系统是否未以最佳的能力等级工作，能够帮助寻找故障，获知系统内出现的任何问题。此能够用于工作期间的动态改变，或是根据所使用的系统，简单地用于提供资料给开发人员。

　　随着电源管理及针对变化的负载以最佳的条件运行管理系统的能力日渐受到重视，动态控制为硬体设计提供一定水準的智能，在硬体设计中，能够在其所使用的工作系统中提供及维持这样的智能。

　　同样，随着功能增加至元件中，若开发人员选择在元件工作时不使用数位介面，为终端用户或开发人员获得可视化的故障提示或系统警报的能力，可能仍然适用于系统故障的早期检测。使用专用接脚来提供故障及警报状况，可保持塬有的接脚数量，并无损系统功能。

　　此监测功能在工程修復作业时间方面提供更高效的方式，而在工程修復作业时能在工作的系统（Live System）中执行此监测功能，此功能也有助于提供新的更严格的能源额等级评定（Energy Rating）限制及耗电量（Power Expenditure）目标。

　　混合控制器提供灵活设计优势

　　现能审视可在设计中整合数位控制的可用元件。产业界发展的ADP4000是一款具有数位介面的可编程多相降压转换器（图3）。

　　图3　ADP4000接脚输出

　　虽然ADP4000的接脚输出、类比功能与ADP3192并不相同，但它的许多特性/功能仍保持不变，再加上能够以数位方式编程及监测特定参数而获得额外优势。此係以数位方式执行软启动、延迟及负载线设定等接脚功能。

　　ADP4000由于以数位介面整合所述的功能，实质上是ADP3192控制器及仅类比设计不能提供的功能的混合体。此显示混合控制器在主机板电源设计中能够提供的优势。

　　从上述讨论中能够得出结论：为任何类比元件加入数位介面会带来监测及控制能力的明显优势。它令系统更灵活，而不大影响电路板布线。

　　虽然元件上必须提供的接脚功能仅用于通讯，但此功能为开发人员提供明显的优势，且长远而言，对电源管理设计及实作是无价的。