今日的网路设备设计者们一直都面临着开发时间迅速缩短及成本受到严格限制的双重压力，但是，市场还是期望他们能突破性能限制并增加功能。而随着时间发展，越来越多的网路系统功能需要增加 ASIC 和处理器，而每个 ASIC 和处理器都会需要几种电压轨，进而导致具有几十种轨电压的线路卡的出现。电压轨如此众多所带来的挑战，就是要将硬体利用率达到最佳化，以将总体功耗降至最低。

为了满足这类需求，因应复杂且高可靠性应用的数位电源管理元件正快速增加当中。

数位电源管理的作法可以透过以PC为基础的软体工具，高效率地对复杂的多电压轨系统进行调试，以避免花费大量时间来更改硬体。相较于传统的硬体ECN方法，采取软体的线路内测试(In-Circuit Testing；ICT) 以及电路板开发与运行状况检验工作可以大为简化，这是因为韧体变更可以在PC上直接完成，而无需接触电路板。数位电源管理为设计者提供了即时遥测资料和故障记录，而能快速诊断电源系统故障情况，并迅速采取纠正行动。

也许最有意义的是，具有数位管理功能的DC/DC 转换器允许设计者开发「绿色」电源系统，这类电源系统在满足系统性能目标（像是计算速度与资料传输速率等）的同时，还能最佳化能源利用率。最佳化可以在负载点、电路板和机架，甚至在安装阶段时进行，进而降低了基础设施成本和产品在整个寿命期内的总体拥有成本。

本文内容，主要是探讨，网路交换器和路由器、基地台和伺服器、以及工业和医疗设备中，如何透过使用四通道的数位电源管理晶片来改善性能、可靠性和能效。

图一 : 具备 EEPROM 的四信道电源控制器 (仅显示一个信道)

对任何数量的电源排序；随意增加电源

目前市场上已有四通道的数位电源管理晶片可以简化任何数量电源的排序。透过使用以时间为主的演算法，工程师能以任何顺序、动态地为电源的导通和断开来进行排序。利用单线共用时脉汇流排以及一个或多个双向故障引脚，也能跨多个数位电源管理晶片的排序 (参见图 2)。这种方法大幅简化了系统设计，因为通道能按照任何顺序排序，而不论由哪一颗晶片负责控制。任何时间都可增加额外的数位电源管理晶片，而不必担心系统限制，例如子卡连接器引脚的供应出现受限的情形。

图二 : 仅用两条连接，就可以无缝地联结多个四信道的数字电源芯片

加电排序可由各种条件回应触发。例如，当下游DC/DC POL 转换器的中间汇流排电压超过特定导通电压时，该元件就可自动排序。或者，导通排序可以由控制引脚输入的上升或下降缘（rising- or falling-edge）启动。该元件还可提供回应故障情况的立即断开或断开排序。排序还可以由简单的I2C命令启动。

坚固的系统需要通用故障管理

双向故障引脚可用来建立通道之间的故障响应的相关性。例如，如果发生短路，那么一个或多个通道的导通排序可以终止。电压和电流监察器的限制门槛和回应时间的过大和过小值都可以采取可程式设计。此外，双故障接脚还可监视输入电压、晶片温度和四个外部二极体的温度。因此，如果这些多样化的数值之中的任意一个项目超过其过大或过小值的限制，那么数位电源管理晶片就能以若干方式做出回应，包括立即锁断、抗尖峰干扰锁断和具重试功能的锁断。

另外，还可用内建的看门狗计时器来监视外部微控制器。有两种逾时间隔可用:第一次看门狗时间间隔和接续时间间隔。在确定电源良好讯号以后，就为微控制器规定较长的逾时间隔。这种新款的数位电源管理晶片的功能就在于:如果发生看门狗故障，就使微控制器在预先确定的时间长度内重定模式，之后再重新确定电源输出。

用正确的电压监测来提升制造良率

随着电压降至低于1.8V，很多现成的模组在随温度变化满足输出电压准确度的要求方面都会遇到麻烦。现在，低于±10mV的绝对准确度要求是常见的，所以必须在制造过程中微调输出电压，这是一个耗费大量时间的过程。

原始设备制造商（OEM）必须为测试留出余裕，以确保面对不断漂移的轨电压，提供可靠的系统，这可能导致大幅影响制造良率。解决此问题有一种好办法:就是接受电源模组不准确这个现实，直接让系统直接在现场进行自我微调。也就是让电源晶片的数位伺服回路从外部微调该模组的输出电压，使其准确度随温度变化好于±0.25%（参见图3），让轨电压漂移降至最低。除了改善制造良率，该数位伺服回路也避开模组准确度限制，使为电源模组供电变得更加容易。

图三 : 新款的数字电源IC可在整个温度范围内提供卓越的电压伺服准确度

准确和温度补偿的 DCR 负载电流监视

为了实现降低功耗的目标，有必要总结出所有工作模式时的负载特性。使用FPGA的工程师会将程式码进行最佳化，以最大限度降低整体功率，而采用ASIC设计的工程师则是会根据输送量需求来调节内核电压。准确即时的遥测大幅简化了此种任务。

我们希望数位电源管理晶片可以根据电压、电流和温度状态暂存器确定系统是否处于正常状态，同时多路转换的16位元的??ADC来监视输入和输出电压、输出电流、以及内部和外部二极体温度。

由于内核电压越来越低的趋势已不可避免，准确测量负载电流已经变成了一种挑战，因为使用精确的电流检测电阻可能导致不可接受的功率损耗。一种选择是将电感的DC电阻(DCR) 用作电流分流元件。这么做有几种优势，包括零附加功耗、更低的电路复杂性和成本。然而，电感器电阻与温度有很大的相关性，而且准确测量电感器磁芯的温度并不容易，会不可避免地导致电流测量误差（参见图4）。

图四 : 一款DC/DC转换器的热像显示了实际电感器温度和温度监测点之间的差别

目前已有公司已经在申请专利的温度补偿演算法，让数位电源管理晶片达到准确的DCR检测，该演算法补偿从检测二极体到电感器磁芯的温度变化率，以及在电感器电流变化和温度变化之间出现的时差（参见图5）。这个功能再配合低杂讯16位元的??ADC，可利用DCR微乎其微的电感器实现负载电流的准确测量（参见图6）。

图五 : 数字电源IC用热阻和延迟参数补偿电感器自热

图六 : 在整个温度和输出电流范围内，针对新款数字电源IC的总电流来测量误差

以PC基础的软体设计和故障诊断

把新款的数位电源IC与搭配的开发工具软体一起使用时，此款IC的故障和警报暂存器允许设计者或现场使用者可以一目了然地确定电源基础设施的状态（参见图7）。在资料记录中，提供状态资讯、可用时间和 ADC 遥测最后 500ms 的资料。如果为响应一个故障而禁止了某个通道，那么资料记录可以存入受保护的 EEPROM 中。这个 255 位元组的资料块能一直保持在非挥发性记忆体中，直到以I2C命令清除为止。

图七 : 开发工具软件允许设计者透过一个精小的连接器，将PC插入系统，从而使电源管理系统能得到完整的配置和控制，而且一行代码都不必编写。

图7显示，在画面上所看到的资料记录与内容。此款晶片以这种方式提供了在关键故障发生之前，电源系统状态的完整瞬像，因此有可能在故障一发生时，就可以隔离故障根源。换言之，对于预先发布特征和现场故障这类作法，对于一个高可靠度系统来说是一种相当宝贵的功能。

独立工作

就目前而言，以PC为基础且易于使用的开发工具软体可以让使用者透过USB介面和一个dongle卡配置新款的数位电源IC。该开发工具可以免费提供并可下载，让设计者在一个直觉性的介面中，配置所有元件参数，以省下开发过程中的大量编码工作，并加快产品上市。

一旦元件配置最终确定，设计者就可以将参数保存到档中，并上载到该元件原厂的工厂中。该公司便可以用该档预设定元件，从而使客户能最便利地对电路板开发与运行状况进行检验。当内建 EEPROM 配置完成后，晶片就能彻底地自主工作，而无需客制软体。此外，增加一个精小的连接器，就可允许开发软体与晶片进行系统内的沟通，从而使现场使用者能按照需要存取遥测、系统状态以及故障记录资料。

结论

随着市场需求的水涨船高，伺服器电源设计也愈趋复杂，很明显的，数位电源管理在透过EEPROM与以电脑为基础的软体开发工具下，对于复杂的电源设计，像是多压轨设计或是温度的精准度的提升等，都有机会大幅简化。再加上数位化设计的概念，更能达成高度客制化的目标，在完成设计后，再交给原厂进行量产，也不失为一种安全而稳定的作法

（本文作者现为凌力尔特混合讯号产品设计经理）