大電流軌需要具備控制和監(jiān)察功能的轉(zhuǎn)換器

大型計(jì)算系統(tǒng)的復(fù)雜性日益增加，這迫使電源產(chǎn)品提高效率和準(zhǔn)確度并改進(jìn)瞬態(tài)響應(yīng)。不過(guò)，近一段時(shí)間，電源產(chǎn)品也越來(lái)越需要具備數(shù)字控制能力，以實(shí)現(xiàn)監(jiān)視、設(shè)置和報(bào)告功能。在分布式系統(tǒng)中，高效率是必不可少的，在這類系統(tǒng)中，會(huì)對(duì)中間電壓總線采用高降壓比，以產(chǎn)生提供大電流的本機(jī)低壓電源，進(jìn)而最大限度地減輕轉(zhuǎn)換效率不佳導(dǎo)致的過(guò)熱問(wèn)題。主機(jī)系統(tǒng)可能有很多提供寬范圍功率值的本機(jī)電壓軌。例如，在數(shù)據(jù)通信系統(tǒng)中，可能有多達(dá) 50 個(gè)負(fù)載點(diǎn)電壓軌，其中有些可能提供高達(dá)以及超過(guò) 100 安培的電流。因此，系統(tǒng)設(shè)計(jì)師希望能夠非常方便地監(jiān)視和調(diào)整電源電壓、對(duì)電源電壓排序、設(shè)定工作電壓限制，并方便地讀取電壓、電流、溫度等參數(shù)以及訪問(wèn)詳細(xì)的故障日志。

一種流行以控制大軌數(shù)系統(tǒng)的方式是使用數(shù)字通信總線。這種方式常稱為“數(shù)字電源”或“電源系統(tǒng)管理 (PSM)”，能夠幫助設(shè)計(jì)師實(shí)時(shí)控制、監(jiān)視和監(jiān)察很多電源軌。能夠以數(shù)字方式更改電源參數(shù)意味著，設(shè)計(jì)師不再像以前那樣，需要更改實(shí)際硬件、電路和 / 或系統(tǒng)用料單，這極大地縮短了產(chǎn)品開發(fā)時(shí)間和減少宕機(jī)時(shí)間。

新出現(xiàn)的 PSM 產(chǎn)品往往通過(guò) PMBus 等兩線接口支持可配置性和監(jiān)視功能，PMBus是一種基于開放 I2C 標(biāo)準(zhǔn)的數(shù)字接口協(xié)議。這就為 PSM 產(chǎn)品與現(xiàn)有嵌入式系統(tǒng)及架構(gòu)、安裝在電路板上的控制器以及智能平臺(tái)管理接口功能無(wú)縫集成提供了方便。為了簡(jiǎn)便易用，尤其是在硬件開發(fā)及測(cè)試的初期，常常通過(guò)一個(gè)在 PC 上運(yùn)行的圖形用戶界面 (GUI) 和常稱為接口轉(zhuǎn)換板的 USB 至 PMBus 通信轉(zhuǎn)換工具連接 PSM 產(chǎn)品。

PSM 可用來(lái)監(jiān)視遠(yuǎn)端電壓穩(wěn)壓器的性能，報(bào)告其健康情況，以便能夠在其超出性能規(guī)格甚至發(fā)生故障之前采取糾正措施。PSM 還允許用戶根據(jù)從負(fù)載及系統(tǒng)收集的信息采取行動(dòng)，并具備以下優(yōu)勢(shì)。

產(chǎn)品更快上市：

·無(wú)需修改 PCB，就可更改電源參數(shù)

·快速確定系統(tǒng)特性、進(jìn)行優(yōu)化和數(shù)據(jù)挖掘

負(fù)載級(jí)優(yōu)勢(shì)：

·隨時(shí)間和溫度變化控制電源準(zhǔn)確度

·進(jìn)行裕度調(diào)節(jié)，以測(cè)試 FPGA 容限

系統(tǒng)級(jí)優(yōu)勢(shì)：

·以數(shù)字方式進(jìn)行電路板級(jí)電源診斷

·監(jiān)視并準(zhǔn)確確定整個(gè)系統(tǒng)的功耗

·故障管理 / 故障日志

數(shù)據(jù)中心優(yōu)勢(shì)：

·確定功耗趨勢(shì)，隨時(shí)間變化檢測(cè)波動(dòng)和變化

·開發(fā)預(yù)測(cè)性分析方法，最大限度降低運(yùn)行成本

·做出能量管理決策

為滿足大型多軌系統(tǒng)的需求，人們開發(fā)了 PMBus 命令語(yǔ)言。除了一套定義完備的標(biāo)準(zhǔn)命令，PMBus 兼容產(chǎn)品還可以采用自己專有的命令，以提供創(chuàng)新性增值功能。對(duì)生產(chǎn)這類系統(tǒng)板的 OEM 而言，大部分命令和數(shù)據(jù)格式實(shí)現(xiàn)標(biāo)準(zhǔn)化是一個(gè)極大的優(yōu)勢(shì)。該協(xié)議是通過(guò)業(yè)界標(biāo)準(zhǔn) SMBusTM 串行接口實(shí)現(xiàn)的，能夠?qū)﹄娫崔D(zhuǎn)換產(chǎn)品進(jìn)行編程、控制和實(shí)時(shí)監(jiān)視。命令語(yǔ)言和數(shù)據(jù)格式標(biāo)準(zhǔn)化使 OEM 能夠非常容易地實(shí)現(xiàn)固件開發(fā)和重用，這可幫助電源系統(tǒng)設(shè)計(jì)師縮短產(chǎn)品上市時(shí)間。如需更多有關(guān)這一主題的信息，請(qǐng)?jiān)L問(wèn)：http://pmbus.org。

PSM 能夠提供準(zhǔn)確的電源系統(tǒng)信息，還能夠自主控制和監(jiān)督很多電壓，因此正在得到越來(lái)越廣泛的采用。凌力爾特已提供幾種 PSM 產(chǎn)品以滿足這種市場(chǎng)需求，我們還將繼續(xù)定期推出有關(guān)的新器件。

最新 PSM DC/DC 控制器

LTC3882 是最近推出的雙通道 DC/DC 同步降壓型 PWM 控制器，具備 PMBus 兼容串行接口。該器件在 3V 至 38V 的輸入電源總線電壓范圍內(nèi)工作，每個(gè)通道可產(chǎn)生 0.5V 至 5.25V 的獨(dú)立輸出電壓。多達(dá) 4 個(gè) LTC3882 能夠以并聯(lián)交錯(cuò)方式運(yùn)行，從而產(chǎn)生包含多達(dá) 8 個(gè)相位的單輸出軌，每相電流高達(dá) 40A。當(dāng)因功率或可靠性而要較多相位時(shí)，還可以開發(fā)相位數(shù)為 6 或 8 的倍數(shù)之設(shè)計(jì)。一旦電路板內(nèi)置 EEPROM 編程完畢，LTC3882 就可以自主運(yùn)行，甚至在故障情況下，也無(wú)需主機(jī)支持。圖 1 顯示了 LTC3882-1 的一個(gè)典型的應(yīng)用原理圖。

圖 1：LTC3882 典型應(yīng)用原理圖

內(nèi)部架構(gòu)

為了支持高降壓比和快速負(fù)載瞬態(tài)響應(yīng)，LTC3882 采用了尖端的恒定頻率電壓調(diào)制模式架構(gòu)。該架構(gòu)還整合了失調(diào)非常低、帶寬很大的電壓誤差放大器和內(nèi)部前饋補(bǔ)償。內(nèi)部前饋補(bǔ)償針對(duì)輸入電壓變化即時(shí)調(diào)節(jié)占空比，從而在發(fā)生瞬態(tài)事件時(shí)顯著地降低了輸出過(guò)沖或下沖。兩個(gè)通道都具備遠(yuǎn)端輸出電壓檢測(cè)功能，以補(bǔ)償與長(zhǎng) PCB 走線有關(guān)的壓降。當(dāng)輸出并聯(lián)時(shí)，單獨(dú)的控制環(huán)路實(shí)現(xiàn)卓越的 DC 和動(dòng)態(tài)多相負(fù)載均分。圖 2 顯示了圖 1 原理圖在 15A 階躍負(fù)載時(shí)的瞬態(tài)響應(yīng)。與標(biāo)稱輸出電壓的最大偏差低于 25mV。

圖 2：圖 1 電路的瞬態(tài)響應(yīng)

選擇功率級(jí)

LTC3882 的每個(gè)通道都提供可選 PWM 控制協(xié)議，以連接具備 3.3V 兼容控制輸入的功率級(jí)設(shè)計(jì)。用戶可以選擇最佳類型的功率級(jí)以滿足設(shè)計(jì)要求：分立式 FET 驅(qū)動(dòng)器、DrMOS 器件或 電源模塊。這些類型的功率級(jí)能夠以每通道為基礎(chǔ)進(jìn)行混合和匹配，從而允許按照每個(gè)軌的功率需求優(yōu)化電源子系統(tǒng)劃分、大小和成本。

尖端的調(diào)制模式可提供對(duì)輸出負(fù)載階躍的快速、單周期響應(yīng)，而且對(duì)最小占空比沒(méi)有限制。在采用這種方法實(shí)現(xiàn)高降壓比的情況下，PWM 輸出控制脈沖可以變得非常小，而且最短接通時(shí)間通常受到功率級(jí)而不是控制器的限制。就最緊湊的解決方案而言，可以僅用陶瓷輸出電容器，而且 LTC3882 采用了可編程有源電壓定位 (AVP) 技術(shù)，因此可以進(jìn)一步優(yōu)化等效串聯(lián)電阻 (ESR) 并減小輸出電容器尺寸。[!--empirenews.page--]

視應(yīng)用的需求，可以通過(guò)選擇最佳工作頻率來(lái)優(yōu)先考慮峰值效率或解決方案尺寸。LTC3882 的可編程開關(guān)頻率范圍為 250kHz 至 1.25MHz，支持對(duì)電感器尺寸和輸出電流紋波的優(yōu)化。LTC3882 還可用來(lái)產(chǎn)生共享的 PWM 主時(shí)鐘，或接受一個(gè)外部時(shí)鐘輸入，以同步至不同的系統(tǒng)時(shí)基。

針對(duì)高功率的低 DCR 檢測(cè)

在輸出電流相對(duì)較高時(shí)，轉(zhuǎn)換效率必須最大限度地提高，以限制傳導(dǎo)損耗產(chǎn)生的熱量，并最大限度地降低相關(guān)的冷卻成本。最大限度降低電流檢測(cè)組件中的功率損耗以盡可能提高效率是很重要，因?yàn)樵摻M件不斷地看到全 DC 負(fù)載電流加上附加紋波電流。LTC3882 支持常規(guī)檢測(cè)電阻器拓?fù)湟约暗?DCR 檢測(cè)方法，而低 DCR 檢測(cè)可以產(chǎn)生僅為幾十毫伏的電壓。固定斜率電壓模式 PWM 架構(gòu)允許用大信號(hào)控制占空比，消除了采用電流模式控制方法時(shí)低 DCR 設(shè)計(jì)可能產(chǎn)生的噪聲問(wèn)題。圖 3 所示為圖 1 原理圖的效率和功率損耗。

圖 3：12V 輸入至 1V 輸出時(shí)的效率和功率損耗曲線

LTC3882 提供了一個(gè)可選的數(shù)字輸出伺服功能。當(dāng)該功能啟動(dòng)時(shí)，通道電壓的 16 位 ADC 輸出用來(lái)伺服所希望的平均輸出值。在這種情況下，轉(zhuǎn)換器提供了十分出色和僅為 ±0.2% 的典型輸出誤差，隨溫度變化的最大誤差為 ±0.5%。就多相單輸出工作而言，LTC3882 提供單獨(dú)的均流環(huán)路，該環(huán)路提供準(zhǔn)確的負(fù)載平衡，這與常規(guī)電壓模式轉(zhuǎn)換器相比是一個(gè)改進(jìn)。輸出通道通過(guò)引腳搭接設(shè)計(jì)成主控制通道或從屬通道。主通道上的 IAVG 引腳提供與瞬時(shí)輸出電流變化類似的電壓。給這個(gè)線路加上一個(gè) 100pf 至 200pf 的濾波電容器，然后發(fā)送給所有從屬相位通道。從屬通道運(yùn)用這一信息和來(lái)自主通道的主 COMP 控制電壓，使自身的輸出電流與主通道的輸出電流相匹配。圖 4 顯示，在高速負(fù)載階躍時(shí)，這種匹配得到了動(dòng)態(tài)保持。

圖 4：輸出瞬態(tài)時(shí)的動(dòng)態(tài)負(fù)載平衡

準(zhǔn)確的遙測(cè)

LTC3882 用一個(gè)內(nèi)部 16 位 ADC 監(jiān)視關(guān)鍵電源參數(shù)。對(duì)輸入和輸出電壓、輸出電流、占空比以及溫度，都可以通過(guò) PMBus 進(jìn)行數(shù)字回讀。LTC3882 跟蹤、保持并提供這些參數(shù)的峰值。

除基本電源參數(shù)遙測(cè)以外，LTC3882 還通過(guò) PMBus 向系統(tǒng)主機(jī)報(bào)告多種內(nèi)部及外部狀態(tài)信息。

快速可編程故障響應(yīng)

運(yùn)用 LTC3882 以及其他凌力爾特 PSM 系列器件 (例如：LTC3880) 之間的共享故障總線，可以檢測(cè)故障并提供故障信息。LTC3882 提供一個(gè)標(biāo)準(zhǔn)的開漏 ALERT 輸出，以向總線主機(jī)發(fā)出多種故障情況通知。LTC3882 對(duì)關(guān)鍵故障產(chǎn)生高速、低電平硬件響應(yīng)以保護(hù)功率級(jí)及下游系統(tǒng)負(fù)載。然后，可以用 PMBus 命令配置較高電平的響應(yīng)、屏蔽系統(tǒng)故障并決定將哪些故障信息傳送給共享故障總線。這可靈活地在系統(tǒng)級(jí)動(dòng)態(tài)管理故障，甚至在硬件已經(jīng)設(shè)計(jì)制造完畢后也可提供靈活性。

LTC3882 提供廣泛的日志能力，可記錄故障發(fā)生前一瞬間轉(zhuǎn)換器的運(yùn)行狀態(tài)。日志可以啟動(dòng)并將內(nèi)容存儲(chǔ)到內(nèi)部 EEPROM 中，以提供黑匣子記錄器功能，實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)內(nèi)診斷或后續(xù)異常事件的遠(yuǎn)端調(diào)試。

PSM 的優(yōu)勢(shì)

考慮使用 PSM 控制器有很多理由?？梢韵?LTC3882 發(fā)布 PMBus 命令，以設(shè)定輸出電壓、電壓裕度、開關(guān)頻率、輸出接通 / 關(guān)斷排序以及其他工作參數(shù)?？傊琇TC3882 支持超過(guò) 100 條標(biāo)準(zhǔn)及定制的 PMBus 命令。這種可編程性的主要好處是降低設(shè)計(jì)成本、加速產(chǎn)品上市。一旦完成基本硬件的宏觀設(shè)計(jì)，通過(guò)簡(jiǎn)單地調(diào)節(jié) LTC3882 控制器內(nèi)能以數(shù)字方式編程的參數(shù)，就可按照需要快速產(chǎn)生很多變化、讓系統(tǒng)快速進(jìn)入正常運(yùn)行狀態(tài)并對(duì)設(shè)計(jì)加以驗(yàn)證。調(diào)節(jié)可以按照需要，一直在生產(chǎn)進(jìn)行后調(diào)節(jié)，包括完全同步的電源軌重新排序 / 再定時(shí)。有了這種靈活性，再加上可選的關(guān)鍵電源參數(shù)外部電阻器設(shè)定方法，就可以避免高風(fēng)險(xiǎn)、高成本的 PCB 推敲工作，或者避免由于最后一分鐘的需求變化或系統(tǒng)用途變化而需要手工更改連線。

最終配置可以輕而易舉地通過(guò)各種方式存儲(chǔ)在內(nèi)部 EEPROM 中，包括定制的生產(chǎn)設(shè)定方式。一旦配置存儲(chǔ)完畢，控制器就可以自主加電到該狀態(tài)，而不會(huì)給主機(jī)增加額外的設(shè)定負(fù)擔(dān)。另外，即使在裝載最終 EEPROM 配置之后，仍然可以使用可選外部設(shè)定電阻器來(lái)修改幾個(gè)關(guān)鍵工作參數(shù)，例如輸出電壓、頻率和相位分配。

一旦設(shè)計(jì)完成，LTC3882 支持的多種尋址方法就會(huì)視控制和監(jiān)視要求的不同而不同，允許系統(tǒng)在軌、器件或單個(gè)通道級(jí)與所有器件或選定器件通信。另外，PMBus 為實(shí)現(xiàn)尖端的高級(jí)系統(tǒng)運(yùn)行提供了方便，例如需要大電流的高能效應(yīng)用的負(fù)載平衡。如果在大型系統(tǒng)中采用常規(guī)電源組件，那么這些功能根本不可能有效地實(shí)現(xiàn)，甚至不可能實(shí)現(xiàn)。

結(jié)論

PSM 是系統(tǒng)設(shè)計(jì)師利用現(xiàn)有系統(tǒng)主處理器或簡(jiǎn)單 PC 連接控制電源的一種方式。在開發(fā)和調(diào)試階段，這種控制能力非常寶貴，能夠幫助設(shè)計(jì)師讓系統(tǒng)快速進(jìn)入正常運(yùn)行狀態(tài)，并能夠控制和調(diào)節(jié)電源電壓、各種限制值以及排序，而無(wú)需修改物理硬件、電路和 / 或系統(tǒng)用料單。就大軌數(shù)系統(tǒng)而言，PSM 是一種簡(jiǎn)單、實(shí)用和強(qiáng)大的方法。