用于嵌入式设计和系统级别的电源管理解决方案

随着网络连接扩展到越来越多的设备，为这些高速模式获取高速数据和电源的能力至关重要。动态功率的控制，特别是对于新的低压操作模式，要求设备具有对其总电源的交互式控制。这包括充电器和DC-DC转换器的多个功率水平，适用于网络接口正在使用或闲置的情况。

将IEEE 802.3标准纳入设计不仅对数据前端产生影响，而且还通过设计产生影响，以便处理峰值功率管理。本文将研究可用于将现有设计改造为这些新标准的控制器IC和外围设备。这些电源解决方案同时存在于嵌入式设计和系统级别。

电源管理需求

与大多数计算设备不同，网络产品属于基础设施类别。这意味着产品和功能不仅需要全天候访问，还需要在所有位置访问。当资源的利用率也是24/7时，这种对24/7可用性的需求就开始了。随着计算速度的提高和数据速率同样上升，网络设备不再能够看到连续的流量。这种基于分组流量的流影响了用于网络连接的PHY的峰值功率利用率以及系统的基线功率响应。

这些问题正在通过修订的规范来解决，例如IEEE 802.3az（也称为节能以太网或EEE），它们指定了掉电模式以及热插拔和冗余电源，所有这些都有助于实现连续运行和用于处理现在属于网络接口的多个电压的板载电源管理。

全球视野 - 随着网络世界从专属企业计算迁移到分布式，基于云的计算，设备也必须适应。区域设备模型已经让位于单个SKU的多个位置设计。这提出了一个挑战，即电压标准因国家而异。电压范围不仅在150到240伏特，50赫兹到60赫兹，而且物理互连格式（墙上插头）也不同。图1显示了现在支持大多数基础设施类型设备所需的一些国际电源插头。

图1：CUI World插头连接器（礼貌CUI Inc） ）。

系统电源

解决日益增长的多样性的一个解决方案是使用定制电源。虽然这些产品具有多种外形和多种效率，但它们存在设计和认证问题，无法在各种产品中使用。另一种方法是在所有产品中使用标准电源。然而，这可能导致对系统设计可用的电压和电流的限制，因为特征被添加到系统中。

提供了一种新的替代方案：在标准机箱中使用模块化组件的定制电源。 Excelsys Technologies，Ltd。拥有1U机箱电源机箱，支持高效率（高达90％）Xgen系列可配置电源，使用功率模块，输出电压范围为1.5至28伏，输出电流为3至50安培。这种灵活性不仅允许通过使用多个模块为设计创建冗余功率控制，还提供计算和网络接口内核，I/O和存储器功能的功率优化。图2显示了带有多个插件的细长配置的Excelsys Xlite电源。标准模块的使用允许创建具有所有认证的定制解决方案。

图2：Excelsys的Xlite可配置电源（Courtesy Excelsys）。

板载电源

EEE规范的一个关键方面是网络PHY根据网络流量断电和重启的能力以及与线路另一端的握手。在90nm节点以下的半导体工艺中发现了这样做的技术。在这些技术中，标准工作电源水平不仅仅是一个五伏特;这些系统具有1.3伏特至5伏特的混合电压控制，主要停止在1.5伏特，1.8伏特，2.7伏特和3.3伏特。

网络的主要连接点是PHY或物理层块。这可以驱动无线应用的天线系统，也可以驱动标准以太网应用的有线和光纤连接器。这些PHY模块有多种形式：集成到网络控制器中;独立作为单端口收发器;以及作为多端口收发器。这些部分涉及多种连接协议，通常是双10/100BT PHY或许多网络PHY收发器中的三重10/100/1000BT PHY。

10/100BT PHY，例如德州仪器的TLK110，具有与以太网MAC模块和外部连接器/变压器/磁性元件的简单接口，如图3所示。这些单元支持新的3.3伏接口，并且可以运行连接到固定电压模拟和数字电源稳压器时效果最佳。该器件具有内部1.5伏电源调节器。该内部稳压器支持芯片的低功耗模式和高速逻辑。 I/O具有3.3伏系统和3.3伏模拟电源，以及接地对。这不仅可以隔离来自两条不同路径的噪声，还可以最大限度地减少这些路径的功率调节器负载。

图3：德州仪器（TI）的TLK110以太网PHY（德州仪器公司提供）。

当设计使用单个收发器时，电源管理非常简单。通过多个连接（每个块4，8或最多48个），峰值功率管理和断电循环的问题更加复杂。这些系统需要使用内部稳压器来帮助支持连接设备行的外部电源管理，同时逻辑保持内部管理。

Vitesse半导体公司的VSC8221 10/100/1000BT PHY（见图4）等高速单端口PHY收发器还将线路接口和SerDes集成到器件中。这是由集成的1.2 GB SERDES和用于CAT5电缆的150 M双绞线接口支持的。这些模块都具有动态功率控制，并且可以以密集形式堆叠，因为它们的功率分配低于每片1瓦（700 mW）。作为电路板设计和应用的优势，该器件不需要用于CAT5连接的变压器（可以用电容器完成），也不需要通过变压器进行功率调节。固定和可调功率调节器（不是PWM，但DC）都可以与具有最小散热器的设备一起使用。

图4：Vitesse Semiconductor的10/100/1000 PHY框图（Courtesy Vitesse Semiconductor Corporation）。

电源调节器

由于传统设计存在电源兼容性问题，因此在大多数情况下，您无法使用具有较低电压输出的新主电源。在这些情况下，您可以使用5伏和12伏电源。为了支持新设计，有两种类型的调节器选项：固定和可调节。可以在Digi-Key的网站上找到各种监管机构的完整清单。

Diodes Incorporated的AP7333，300 mA输出低压差线性稳压器等产品是简单的三引脚器件，具有3.3 V的固定输出电压，热关断控制，短路保护以及对器件变化的快速瞬态响应加载。这些负载包括EEE PHY和MAC对的启动和唤醒电路。该器件具有单个接地点，输入电源引脚 - 在这种情况下为2至6伏 - 以及输出电压。典型固定电压调节器（Diodes的AP7333）的内部框图示意图如图5所示。

图5：二极管的AP7333固定电压调节器（Courtesy Diodes Incorporated）。

这些具有固定输出电压的稳压器用于新设计，这些设计具有优化的元件并需要与五伏电源连接。 PHY的新接口电压为3.3伏，网络块的MAC为1.8伏或1.5伏和3.3伏的混合电压。选择稳压器的关键参数是允许的辍学电压量和可提供的电流量。

这些固定调节器，如可调节型，有多种封装，基于设备可以处理的总功率。它们的范围从小型表面贴装器件到更大的通孔器件，这些器件直接在器件上安装散热器。

可调稳压器允许电路板和系统设计设置输出电平和相应的输出电流。如果设计将利用各种部件来实现类似功能，则这些设备非常有用。例如，如果您使用基于特定技术和供应商的10/100BT PHY构建系统，则可能需要3.0伏，3.3伏，2.5伏或这些电压的组合来运行该部件。使用可调节调节器，您只需更改设定值的电阻值，并使输出处于新的水平。

此功能在某些应用程序中尤为重要。背板和ATCA，CAT5/CAT6和光驱动器都需要不同的电压和电流用于I/O接口。 PHY通常支持所有这三种输出变体。

另一个可调节稳压器有用的地方是高压供电轨。根据所用系统的类型，18至24伏的电源可调节至12伏或7.5伏。较高电压调节应用通常具有比较低电压电平调节器更高的电流要求。结果，提供用于为低于五伏的稳压器供电的中间调节是通过特定应用定制收发器配置的电压和电流水平来完成的。

改造设计

对于作为现有网络平台进行改造的设计，可调节调节器非常有用。设计的典型改造包括采用现有的10/100BT网络控制器并将其更新为10/100/1000BT以太网。对于已经是10/100/1000BT以太网应用的设计，电路板经过修改以使用EEE PHY模块，以便利用低能耗平台。

基于PHY模块的功能，Vitesse VSC8601等设备可为系统提供多种电压。 PHY本身使用3.3伏单电源。但是，MAC和信号连接需要5伏，2.5伏和1.8伏，具体取决于系统类型。这些改造应用不仅包括电缆连接（CAT5或CAT6），还包括背板和ATCA功能。

这些功能要求网络组件自动检测并支持网络中的内联供电设备。内联电源检测功能允许系统功能（如IP电话，无线接入点或其他设备）直接从以太网电缆接收电源。此功能类似于通过电话线从PBX办公室交换机接收电源的标准办公室数字电话。它允许终端设备消除对外部电源的需求，但它确实将当前的负载负担放在PHY上。对于长线（接近150米的限制），这可能会对PHY本身的电源管理造成压力。

由于网络组件通常连接到不间断电源（UPS），电池，备用电源系统或发电机，因此在线供电设备可以在断电期间保持活动状态，以便它们可以在发生故障时保持活动状态。停运。电缆负载和内联供电设备的峰值功率必须等于或小于电压调节器提供的功率因数。