系統(tǒng)設(shè)計(jì)師的數(shù)字電源

引言
    有經(jīng)驗(yàn)的數(shù)字電源用戶一般都充分意識(shí)到數(shù)字電源系統(tǒng)管理的好處。不過，就那些正在考慮數(shù)字電源對(duì)他們的產(chǎn)品是否有意義的用戶而言，數(shù)字電源系統(tǒng)管理的好處就不那么明顯了。他們經(jīng)常問到的問題包括：

我們的客戶會(huì)看重?cái)?shù)字電源嗎?
    這種技術(shù)將會(huì)打開新市場嗎?
    如果我們不在我們的產(chǎn)品中采用數(shù)字電源，我們會(huì)落后嗎?
    采用數(shù)字電源有多難?
    學(xué)習(xí)曲線有多長?
    如果采用數(shù)字電源，我們的產(chǎn)品上市時(shí)間會(huì)延長嗎?
    有什么額外的代價(jià)?

我們需要了解這些問題的答案，以幫助決定在最終應(yīng)用中，數(shù)字電源是否是一個(gè)好的選擇。

數(shù)字電源在什么情況下有意義
    用簡單的 PC 連接對(duì)模擬電源進(jìn)行數(shù)字控制在開發(fā)階段尤其有用，在這一階段，設(shè)計(jì)師需要讓系統(tǒng)快速進(jìn)入正常運(yùn)行狀態(tài)。有可能有超過 20 個(gè) POL 電壓軌，而且用戶需要能非常容易地調(diào)節(jié)電源電壓、從低到高/從高到低給電源排序、設(shè)定工作電壓限制以及讀取電壓、電流或溫度等參數(shù)，還需要通過數(shù)字接口訪問詳細(xì)的故障記錄。在這類系統(tǒng)中，要保持對(duì)電壓軌的嚴(yán)格控制并實(shí)現(xiàn)最高性能，高準(zhǔn)確度極其重要。

在今天的新式電子系統(tǒng)中，了解穩(wěn)壓器的環(huán)境條件和工作狀態(tài)也許是仍然存在的最后一個(gè)“盲點(diǎn)”，因?yàn)橥ǔ]有辦法直接配置或遠(yuǎn)程監(jiān)視關(guān)鍵工作參數(shù)。檢測穩(wěn)壓器輸出電壓隨時(shí)間推移或溫度變化而產(chǎn)生的漂移，并據(jù)此在可能的故障事件出現(xiàn)之前采取行動(dòng)，對(duì)于可靠工作是至關(guān)重要的。一個(gè)設(shè)計(jì)良好的數(shù)字電源系統(tǒng)可以監(jiān)視穩(wěn)壓器的性能，并報(bào)告穩(wěn)壓器的狀態(tài)，以便在穩(wěn)壓器超過性能規(guī)范甚至出現(xiàn)故障之前能采取糾正行動(dòng)。

    在數(shù)據(jù)中心中，一個(gè)關(guān)鍵的挑戰(zhàn)是，通過重新調(diào)整工作流程，并將作業(yè)轉(zhuǎn)移到未充分利用的服務(wù)器上以使其他服務(wù)器能停機(jī)來降低總體功耗。為了滿足這些要求，知道最終用戶設(shè)備的功耗非常重要。一個(gè)恰當(dāng)設(shè)計(jì)的數(shù)字電源管理系統(tǒng)可以向用戶提供功耗數(shù)據(jù)，從而有助于做出明智的能量管理決策。

    為了防止昂貴的 ASIC 可能被過壓狀態(tài)損壞，高速比較器必須監(jiān)視每個(gè)軌的電壓值，并在某個(gè)軌超出其規(guī)定的安全工作限制時(shí)，立即采取保護(hù)性措施。在數(shù)字電源系統(tǒng)中，當(dāng)故障發(fā)生時(shí)，可以通過 PMBus 報(bào)警線通知主機(jī)，而且從屬軌可以停機(jī)，以保護(hù) ASIC 等受電器件。實(shí)現(xiàn)這種級(jí)別的保護(hù)，需要卓越的準(zhǔn)確度和數(shù)十微秒的響應(yīng)時(shí)間。

之所以采用數(shù)字電源管理，是因?yàn)樗芴峁┯嘘P(guān)電源系統(tǒng)的準(zhǔn)確信息，而且它能非常容易地自主控制和監(jiān)察很多電壓。電路板設(shè)計(jì)師不必寫單條代碼線，除非他們想讓主處理器讀取遙測數(shù)據(jù)和進(jìn)行簡單的故障干預(yù)。顯然，制造商需要提供新用戶以及有經(jīng)驗(yàn)的用戶非常容易采用、定制和以特定專門市場為目標(biāo)的經(jīng)濟(jì)實(shí)惠器件。凌力爾特提供幾種數(shù)字電源產(chǎn)品，LTC3880/-1 是最近推出的這類產(chǎn)品之一。

關(guān)于 LTC3880
    LTC3880 和 LTC3880-1 是具 I2C PMBus 接口的雙輸出高效率同步降壓型 DC/DC 控制器，適用于數(shù)字電源系統(tǒng)管理。這些器件兼有最佳模擬開關(guān)穩(wěn)壓器性能和精確的混合信號(hào)數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換，可減輕電源系統(tǒng)設(shè)計(jì)和管理負(fù)擔(dān)，得到了具易用圖形用戶界面 (GUI) 的 LTpowerPlay 軟件開發(fā)系統(tǒng)的支持。

LTC3880/-1 允許對(duì)關(guān)鍵負(fù)載點(diǎn)轉(zhuǎn)換器功能的實(shí)時(shí)控制和監(jiān)視進(jìn)行數(shù)字設(shè)定和回讀?？删幊炭刂茀?shù)包括輸出電壓、裕度控制和電流限制、輸入和輸出監(jiān)察限制、加電排序和跟蹤、開關(guān)頻率以及識(shí)別和可跟蹤性數(shù)據(jù)。片上內(nèi)置的精確數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換器和 EEPROM 允許捕獲穩(wěn)壓器的配置設(shè)置和遙測變量，包括輸入和輸出電壓及電流、占空比、溫度和故障記錄，并對(duì)這些數(shù)據(jù)進(jìn)行非易失性存儲(chǔ)。LTC3880/-1 有一個(gè)模擬控制環(huán)路，以實(shí)現(xiàn)最佳環(huán)路穩(wěn)定性和最快的瞬態(tài)響應(yīng)，因而沒有在較慢的數(shù)字控制環(huán)路中常見的量化效應(yīng)。該器件能提供兩個(gè)獨(dú)立的輸出或配置為兩相單輸出。多達(dá) 6 相可以交錯(cuò)和并聯(lián)，以在多個(gè) IC 之間實(shí)現(xiàn)準(zhǔn)確的均流，從而就大電流和 / 或多個(gè)輸出應(yīng)用而言，最大限度地降低輸入和輸出濾波要求。一個(gè)集成的放大器提供真正的差分遠(yuǎn)端輸出電壓采樣，從而可不受電路板 IR 壓降影響，實(shí)現(xiàn)高度準(zhǔn)確的調(diào)節(jié)。圖 1 顯示了一個(gè)利用 LTC3880 從 12V 總線電壓產(chǎn)生 1.8V/20A 和 3.3V/15A 的典型應(yīng)用。

圖 1：LTC3880 應(yīng)用原理圖：從 12V 輸入產(chǎn)生 1.8V/20A 和 3.3V/15A

LTC3880/-1 有一個(gè)內(nèi)置的 16 位 ADC，該 ADC 提供最佳可編程性和遙測回讀。

    LTC3880/-1 的設(shè)定分辨率和遙測準(zhǔn)確度

LTC3880/-1 設(shè)定分辨率             LTC3880/-1 遙測分辨率

利用凌力爾特基于 GUI 的 LTpowerPlay™ 開發(fā)軟件，通過 LTC3880/-1 的 I2C 串行接口，該器件的配置非常容易存儲(chǔ)到內(nèi)部 EEPROM 中。內(nèi)置存儲(chǔ)器允許特定的用戶設(shè)置。此外，這個(gè)控制器還能自主加電，而不會(huì)增加主處理器的負(fù)擔(dān)。通過外部電阻器分壓器，可以有選擇地配置輸出電壓、開關(guān)頻率、相位和器件地址的缺省設(shè)置。

LTC3880/-1 具有內(nèi)置的集成 MOSFET 柵極驅(qū)動(dòng)器，以從范圍為 4.5V 至 24V 的輸入電壓驅(qū)動(dòng)所有 N 溝道功率 MOSFET，而且在整個(gè)工作溫度范圍內(nèi)，該器件能以每相高達(dá) 30A 的輸出電流產(chǎn)生準(zhǔn)確度為 ± 0.50%、范圍為 0.5V 至 5.5V 的輸出電壓。LTC3880/-1 還可驅(qū)動(dòng)電源構(gòu)件或 DR MOS 器件。LTC3880/-1 的最短接通時(shí)間僅為 90ns，從而使該器件非常適用于緊湊型、高頻 / 高降壓比應(yīng)用?？缍鄠€(gè)芯片的準(zhǔn)確定時(shí)和基于事件的排序允許優(yōu)化復(fù)雜多軌系統(tǒng)的加電和斷電。

LTC3880 具一個(gè)內(nèi)置 LDO。LTC3880-1 允許使用外部偏置電壓以實(shí)現(xiàn)最高效率。這兩款器件都采用耐熱增強(qiáng)型 6mm x 6mm QFN-40 封裝，工作節(jié)溫范圍為 -40°C 至 105°C。

數(shù)字系統(tǒng)管理實(shí)現(xiàn)真實(shí)應(yīng)用
    大型多軌電源電路板通常包括一個(gè)隔離式中間總線轉(zhuǎn)換器，該轉(zhuǎn)換器將 48V、24V 或其他電壓從背板轉(zhuǎn)換到較低的中間總線電壓 (IBV)，一般是 12V，分布在 PC 板卡各處。單獨(dú)的負(fù)載點(diǎn) (POL) DC-DC 轉(zhuǎn)換器將 IBV 降壓至所需的電壓軌，一般在 0.6V 至 5V 范圍，電流范圍為 0.5A 至 120A。圖 2 顯示了怎樣用凌力爾特各種不同的控制器和 DC/DC 轉(zhuǎn)換器控制一個(gè)多軌系統(tǒng)。負(fù)載點(diǎn) DC/DC 可以是自含式模塊、單片器件或由 DC-DC 控制器 IC 以及有關(guān)的電感、電容和 MOSFET 組成的解決方案。這些軌通常對(duì)排序、電壓準(zhǔn)確度、過流和過壓限制、裕度控制以及監(jiān)察有嚴(yán)格要求。

圖 2：通過 I2C / PMBus 控制 15 個(gè)電壓軌的方框圖

顯然，電源管理的復(fù)雜性在提高，而且電路板有超過 30 個(gè)軌也并非不常見。這類電路板是密集排列的，而且數(shù)字電源系統(tǒng)管理電路絕對(duì)不能占用太多電路板空間。它必須易于使用，并能控制大量電壓軌。凌力爾特的 LTC2978 兼有與 LTC3880/-1 及 LTC2874 配合使用必需的所有功能，可通過單條 I2C 總線控制多達(dá) 72 個(gè)電壓。LTC3880/-1 控制、監(jiān)視和產(chǎn)生多達(dá)兩個(gè)大電流軌。LTC2978 控制和監(jiān)視多達(dá) 8 個(gè)軌，而 LTC2974 則控制和監(jiān)視多達(dá) 4 個(gè)軌。這類解決方案必須自主工作或與系統(tǒng)主處理器通信以獲得指令、實(shí)現(xiàn)控制并報(bào)告遙測數(shù)據(jù)。圖 3 顯示了一個(gè)單通道 LTC2978 控制一個(gè) DC/DC 轉(zhuǎn)換器的例子。

圖 3：LTC2978 控制一個(gè)外部 DC/DC 轉(zhuǎn)換器

PMBus 指令語言是為滿足大型多軌系統(tǒng)的需求而開發(fā)的。除了完備定義的標(biāo)準(zhǔn)指令集以外，PMBus 兼容的器件還能采用它們自己專有的指令提供創(chuàng)新性增值功能。大多數(shù)指令和數(shù)據(jù)格式的標(biāo)準(zhǔn)化對(duì)生產(chǎn)這類系統(tǒng)電路板的原始設(shè)備制造商 (OEM) 非常有利。該協(xié)議通過業(yè)界標(biāo)準(zhǔn)的 SMBus 串行接口實(shí)現(xiàn)，并可實(shí)現(xiàn)對(duì)電源轉(zhuǎn)換產(chǎn)品的設(shè)定、控制和實(shí)時(shí)監(jiān)視。指令語言和數(shù)據(jù)格式標(biāo)準(zhǔn)化允許原始設(shè)備制造商非常容易地進(jìn)行固件開發(fā)和重用，從而可以幫助電源系統(tǒng)設(shè)計(jì)師加快產(chǎn)品上市時(shí)間。如需更多信息，請(qǐng)?jiān)L問：http://pmbus.org。

通過超過 75 個(gè) PMBus 標(biāo)準(zhǔn)指令功能，用戶用最流行的開放標(biāo)準(zhǔn)電源管理協(xié)議之一，就可以全面控制電源系統(tǒng)的工作。通過確定 ALERT 引腳來響應(yīng)所支持的 PMBus 故障，用戶還可以產(chǎn)生系統(tǒng)控制器中斷請(qǐng)求。凌力爾特提供的 LTpowerPlay GUI 使用戶能非常容易地訪問 LTC3880/-1 的工作和設(shè)置。

    結(jié)論
    數(shù)字電源創(chuàng)造了一種新的電源設(shè)計(jì)環(huán)境，這對(duì)幾個(gè)領(lǐng)域很重要。首先，用簡單的 PC 連接對(duì)模擬電源進(jìn)行數(shù)字控制，在開發(fā)階段非常有用，使設(shè)計(jì)師能讓系統(tǒng)快速進(jìn)入正常運(yùn)行狀態(tài)。多軌系統(tǒng)的設(shè)計(jì)師需要一種非常容易的方法來監(jiān)視、控制和調(diào)節(jié)電源電壓、限制和排序。與傳統(tǒng)方法相比，生產(chǎn)裕度測試更容易進(jìn)行，因?yàn)榻柚鷰讉€(gè)通過 I2C / PMBus 總線傳送的標(biāo)準(zhǔn)指令就可以控制整個(gè)測試。

有關(guān)電源工作狀態(tài)的電源系統(tǒng)數(shù)據(jù)可以回送給原始設(shè)備制造商，從而有效打開有關(guān) DC/DC 轉(zhuǎn)換器工作狀態(tài)的盲點(diǎn)。如果一個(gè)電路板被返回，那么故障日志可以回讀，以確定發(fā)生了什么故障、電路板溫度和故障時(shí)間。這一數(shù)據(jù)可用來快速確定根本原因，確定系統(tǒng)是否工作在規(guī)定的工作限度之外，或者改進(jìn)未來產(chǎn)品的設(shè)計(jì)。

一個(gè)恰當(dāng)設(shè)計(jì)的數(shù)字電源管理系統(tǒng)可為用戶提供功耗數(shù)據(jù)，從而允許做出明智的能量管理決策，這些決策可用來降低總體功耗。數(shù)字電源并不能解決所有人的所有問題，不過，就多軌復(fù)雜系統(tǒng)和希望跟蹤電源系統(tǒng)狀態(tài)的原始設(shè)備制造商而言，數(shù)字電源是一種非常有用的工具。