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利用八通道示波器分析数字电源管理系统

2015-04-14 16:30:29 来源:http://ic.big-bit.com/|0 作者:李发存 点击:1987
一.引言

在现在的嵌入式系统和PC 系统平台上,为了给CPU 提供的稳定的供电电压和电流,同时实时应对外部负载的变化,及时调整供电电流,提高功效,减少产生的热量。在系统中,都会有专门的电源管理芯片来控制完成。本文将介绍数字电源管理系统的类型、特点,以及如何利用力科8 通道,12bit,1GHz 带宽,2.5GS/S HDO8000 示波器测量多相数字电源管理系统。

二. 数字电源管理

数字电源管理主要是通过对电路板上的上DC—>DC 转换电路的控制来为CPU 提供稳定的工作电压,同时也对电脑启动时电压的变化情况和时序作出了明确的要求。同时根据CPU负载的状况,允许处理器处于空度负载或轻度负载状态下,可以关闭部分供电回路相位数以达成切换动作,同时对核心工作频率进行调节,以达到其于轻度负载状态下的节电效果。Intel为其各款处理器产品制定了相应的电压调节模块(Voltage Regulation Model,VRM)设计规范,现在最新的是VR12,CPU 的数字电源管理系统包括:PWM 控制器芯片、MOSFET 驱动器、功率器件MOSFET、扼流圈、滤波电容等。下面是一个典型的数字电源管理系统(4 相)的架构图:

数字电源管理系统(4 相)的架构图

三.单相电源管理系统

典型的超极本或者嵌入式系统的电源管理系统如下:

1. 单相转换器

2. 驱动器和功率 MOSFET 集成在转换器中

3. 紧凑设计的最简单的方案

4. 为更长的电池待机时间,提供更高的效率

单相供电系统

单相供电系统

这种单相的电源管理系统,适合对功率要求不高的、固定负载的应用,可以对这种特定应用进行优化,电源效率可以达到90%以上。

固定负载时的电源效率

固定负载时的电源效率


这种电源管理方案,实现起来很简单,但是应用范围也很小,现在的PC 系统或嵌入式系统的CPU 的功率高达130W 以上,但是核心电压只有1.2V 左右,这样就需要多达100A 的电流,电子器件难以承受这么大的电流产生的热量,而且现在系统的负载是在不停变化的,需要电源管理系统根据负载的变化,调整输出电流,提高电源效率,避免产生过多的热量(如下图)。这样就需要使用多相电源管理系统

?单相供电负载变化时,电源效率的变化

单相供电负载变化时,电源效率的变化

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四.多相电源管理系统

为给CPU 提供更低的电压范围、更细致的电压间隔、更快的电压切换、更大的电流输入以及更高的电源效率。需要采用多相供电,现在电脑主板上一般采用多于6 相供电,工作频率相同的条件下,多相供电输出了更多波头,滤波后直流电的纹波系数更小,因此供电质量更高,为CPU 的稳定工作奠定了坚实基础。

多相电和单相电输出电压对比

多相电和单相电输出电压对比


多相数字管理系统允许处理器处于空度负载或轻度负载状态下,可以关闭部分供电回路相位数以达成切换动作,同时对核心工作频率进行调节,以达到其于轻度负载状态下的节电效果,提高功效,减少产生的热量,多相供电系统中,负载变化时的功效如下是一个典型的服务器系统上的6 相供电管理系统,使用了6 个功率Mosfet 驱动器,12 个功率Mostfet,可以输出6 路电压和电流。

6 相供电管理系统

6 相供电管理系统

五. 多相数字电源管理系统的测试

现在采用的多相供电系统一般多于6 相,同时输出多于6 路的电压和电流,根绝负载的变化,关闭部分供电回路相位数。需要同时观测多于6 路的输出信号,使用一般的4 通道示波器是无法做到的,力科的HDO8000 示波器可以帮助完成多相数字电源管理系统的测试。HDO8000 具有8 个输入通道,配合力科提供的电压探头和电流探头,可以同时测试8 路信号,它的ADC 位数达到12bit,比常规8bit 示波器的精度更高,在高分辨率的同时还具备最高1GHz 带宽和2.5GS/s 的高采样率。下图是使用HDO8000 同时测试3 路电压信号和3 路电流信号。

使用HDO8000 示波器同时测试3 路电压信号和3 路电流信号

使用HDO8000 示波器同时测试3 路电压信号和3 路电流信号

配备高压差分探头、电流探头和其他探头的HDO8000 示波器

配备高压差分探头、电流探头和其他探头的HDO8000 示波器

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