​了解如何创建一个设计,及运行Vout变换仿真

电子设计 2018-05-25 09:51 次阅读

对于服务器、以太网交换机、基站、以及等云端基础设施终端设备内电源的功率密度的要求越来越高。为了应对这一要求,将集成MOSFET(金属氧化物半导体场效应晶体管DC/DC转换器用于高电流POL(负载点)电源轨的已经成为主流。而在此之前,一直将具有外部MOSFET的PWM(脉宽调制)控制器用于电源轨。此外,高性能处理器和那些与FPGA相类似的器件在自适应电压缩放方面的需求(根据处理器运行配置文件对Vout进行按需即时调节,以优化功率损耗)也变得越来越重要。而且,电源设计人员越来越注意不使用外部组件,并且更加关注可靠性的提升,以及对于故障的防范。

目前,TI提供TPS544C20和TPS544B20电源转换器;这两款转换器将上述这两个非常不错的想法组合在了一起。另一方面,它们已经集成了电流承载能力高达30A和20A的MOSFET,除此之外,它们还特有PMBus™ 控制功能。

‘PMBus’是什么,它在电源方面为什么具有如此之高的价值?PMBus代表“电源管理总线”,它是对电源管理的“远程控制”。PMBus控制的设计理念在于,你可以用软件命令来即时控制和设定电源管理器件。在纯粹的模拟设计中,你需要在设计阶段设定器件运行方式,并且选择电阻器电容器,所以这一点是无法实现的。借助PMBus协议,一个控制处理器能够改变开关频率、电流限值和输出电压等参数。PMBus还能提供遥感勘测功能,比如说读取IC温度和电流等数值,这样的话,处理器就能够动态地监视电源系统了。

PMBus的设计理念来源于19世纪80年代早期开发出来的普遍采用I2C总线。I2C总线,表示内部IC(集成电路),曾经是一个控制和监视任一电子系统的通用总线。它曾经是一个简单的总线协议,取代了当时的很多专有协议。基于I2C总线,在1995年定义了SMBus协议或称为系统管理总线。由于它增加了数据包错误校验而使其自身变得更加稳健耐用,SMBus与I2C之间有着些许的不同。SMBus曾被用于个人电脑和服务器。不过,这个行业的从业人员很快认识到,最好用一个共同协议和标准集来满足系统的电源管理需求,而这一想法最终催生出PMBus控制定义。在将SMbus用作物理层的同时,PMBus设立了针对电源管理的协议,从而取代了数个专有协议。

TI的SWIFT™ TPS544C20和TPS544B20是业内第一款具有集成FET和PMBus数字接口的4.5V至18V,30A DC/DC转换器。为了使工程师在使用这些产品进行设计时更加简便,我们在WEBENCH® 电源设计工具中增加了支持。在WEBENCH工具内部,你能够练习很多的PMBus命令,并且可以立即看到这些命令对于设计产生的影响,从而帮助你快速分析设计,以及进行原型设计。

比如说,我们用PMBus命令来实时改变一个控制器的输出电压。例如,为了延长电池的使用寿命,你希望限制笔记本电脑等功耗敏感应用内的微处理器的性能。你知道,微处理器的功率耗散与C V 2 f成比例。功率耗散取决于电压的平方,所以,电压的减少对于功耗降低会产生更加明显的效果。微处理器能够动态地发出一个PMBus命令给电源转换器,以通过PMBus总线来减小输出电压。这个Vout转换命令由TPS544C20或TPS544B20来执行,以改变其Vout。下面给出了这些设计步骤。

我用TPS544C20创建了一个设计,3.3V的标称输出电压能够提供20A的输出电流。输入电压在4.5V至5.5V之间。在高级选项中,我将PMBus命令Vref Margin Low(裕量低值)设定为-16.67%,并且将运行裕量设定为“Margin Low”,以降低输出电压(图1)。

图1.在“Advanced Options”WEBENCH控制面板内设定PMBus命令。

这一设置使得TPS544C20将Vout从3.3V的标称值变换为2.75V,降低了16.67%。你可以在WEBENCH电源设计工具中用在线“Vout变换”仿真来模拟这个效果(图2)。

图2.Vout变换仿真。

如果你放大输出电压波形,你将会发现输出电压纹波沿着平均Vout变化,从3.3V变换为2.75V。OP Val部分中的工作值表示针对全新Vout的全部变量。


在这部视频中获得与我所使用的WEBENCH设计完全一样的设计(这个设计由全新的“与大家分享”特性创建)。

在WEBENCH电源设计工具中,用PMBus特性来试着创建一个PMBus系统电源设计,并且用在线SPICE仿真来分析这个设计。

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