數(shù)字電源是正確選擇嗎?

引言
    有經(jīng)驗的數(shù)字電源用戶通常都會很清楚地認識到數(shù)字電源系統(tǒng)管理的好處。不過，就那些正在考慮數(shù)字電源對他們的產(chǎn)品是否有意義的用戶而言，數(shù)字電源的好處也許就不那么明顯了。他們提出的典型問題包括：當(dāng)采用數(shù)字電源時，我們產(chǎn)品的上市時間會更長嗎? 采用數(shù)字電源有多難? 學(xué)習(xí)期多長? 有額外成本嗎? 我們的客戶會看重數(shù)字電源嗎? 這種技術(shù)會打開新的市場嗎? 如果我們不在產(chǎn)品線中采用數(shù)字電源，會落后嗎? 他們需要知道這些問題的答案，以幫助決定采用數(shù)字電源時對最終應(yīng)用是否為一個良好的選擇。

    為什么使用數(shù)字電源?
    在開發(fā)階段，用一個簡單的 PC 連接對模擬電源進行數(shù)字控制尤其有用，在這個階段，設(shè)計師需要讓系統(tǒng)迅速啟動和運行。可能有多達 30 個負載點 (POL)電壓軌，用戶要能非常容易地監(jiān)視和調(diào)節(jié)電源電壓、對電源加電  / 斷電排序、設(shè)定工作電壓限制以及讀取電壓、電流、溫度等參數(shù)，并能通過數(shù)字接口獲取詳細的故障日志數(shù)據(jù)。在這類系統(tǒng)中，要對電壓軌保持嚴格控制并實現(xiàn)最高性能，高準確度極端重要。

在數(shù)據(jù)中心中，一個關(guān)鍵挑戰(zhàn)是: 通過重新安排工作流程并將作業(yè)轉(zhuǎn)移到未充分利用的服務(wù)器上，以關(guān)閉其他服務(wù)器，降低總體功耗。為了滿足這類要求，知道最終用戶設(shè)備的功耗是非常重要的。一個恰當(dāng)設(shè)計的數(shù)字電源管理系統(tǒng)可以向用戶提供功耗數(shù)據(jù)，從而允許做出智能能量管理決策。

    在今天的新式電子系統(tǒng)中，穩(wěn)壓器的環(huán)境和工作狀態(tài)也許是最后一個需要了解的“盲點”，因為通常沒有辦法直接配置或遠程監(jiān)視穩(wěn)壓器的關(guān)鍵工作參數(shù)。要實現(xiàn)可靠工作，能檢測穩(wěn)壓器輸出電壓隨時間的漂移或過熱情況并在潛在故障事件發(fā)生之前采取行動，這是至關(guān)重要的。一個良好設(shè)計的數(shù)字電源系統(tǒng)可以監(jiān)視電壓穩(wěn)壓器的性能，并報告穩(wěn)壓器狀態(tài)是否正常，以便在超出規(guī)范或發(fā)生故障之前能采取糾正行動。

    為了保護昂貴的 ASIC 不受可能出現(xiàn)的過壓情況的影響，高速比較器必須監(jiān)視每個電壓軌的值，并在某個電壓軌超出規(guī)定的安全工作限度時，立即采取保護行動。在數(shù)字電源系統(tǒng)中，當(dāng)發(fā)生故障時，可以通過 PMBus 警報線通知主機，而且相關(guān)的電壓軌可以關(guān)斷，以保護 ASIC 等受電設(shè)備。要實現(xiàn)這樣的保護，需要卓越的準確度和非?？斓捻憫?yīng)時間。

之所以采用數(shù)字電源管理是因為數(shù)字電源能提供有關(guān)電源系統(tǒng)的準確信息，而且能輕而易舉地自主控制和監(jiān)察幾十個電壓。在一個復(fù)雜的系統(tǒng)板上，到處探測和監(jiān)視 30 個負載點電壓可能是非常困難的。系統(tǒng)設(shè)計師一行代碼都不必編寫，除非他們需要主處理器讀取遙測數(shù)據(jù)，并進行簡單的故障干預(yù)。顯然，制造商需要為專門市場提供定制和經(jīng)濟實惠的器件，這使新手和經(jīng)驗老道的用戶都可以輕松使用。凌力爾特提供幾款數(shù)字電源產(chǎn)品，最近推出的 LTC3880 就是其中之一。

數(shù)字電源是正確選擇
    LTC3880 和 LTC3880-1 是雙輸出高效率同步降壓型 DC/DC 控制器，具基于 I2C 的 PMBus 接口，用于數(shù)字電源系統(tǒng)管理。這兩款器件同時提供同類最佳的模擬開關(guān)穩(wěn)壓器性能和精確的混合信號數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換，以方便電源系統(tǒng)設(shè)計和管理，LTpowerPlay 軟件開發(fā)系統(tǒng)支持這兩款器件，該系統(tǒng)具有易用的圖形用戶界面 (GUI)。

LTC3880 / LTC3880-1 允許對實時控制進行數(shù)字設(shè)定和回讀，并允許監(jiān)視關(guān)鍵負載點轉(zhuǎn)換器的功能?？删幊炭刂茀?shù)包括輸出電壓、裕度調(diào)節(jié)和電流限制、輸入和輸出檢查限制、加電排序和跟蹤、開關(guān)頻率以及識別和可跟蹤性數(shù)據(jù)。內(nèi)置的精確數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換器及 EEPROM 允許捕獲穩(wěn)壓器配置設(shè)定值和遙測變量，包括輸入和輸出電壓及電流、占空比、溫度以及故障日志，并對其進行非易失性存儲。

LTC3880/-1 具模擬控制環(huán)路，可實現(xiàn)最佳環(huán)路穩(wěn)定性和最快速的瞬態(tài)響應(yīng)，而且沒有較慢的數(shù)字控制環(huán)路中常見的量化效應(yīng)。這些器件可以提供兩個獨立的輸出，或配置為提供兩相單輸出。多達 6 相可以交錯和并聯(lián)，以在多個 IC 之間實現(xiàn)準確的均流，從而最大限度地為大電流和 / 或多輸出應(yīng)用降低輸入和輸出濾波要求。一個集成的放大器提供真正差分遠端輸出電壓取樣，從而實現(xiàn)了準確度很高的調(diào)節(jié)，而且不受電路板 IR 壓降的影響。圖 1 顯示了一個典型應(yīng)用，該應(yīng)用利用 LTC3880 從 12V 總線電壓產(chǎn)生 1.8V/20A 和 3.3V/15A。

 
圖 1：LTC3880 應(yīng)用原理圖

利用凌力爾特公司基于圖形用戶界面的 LTpowerPlay開發(fā)軟件，LTC3880/-1 的配置非常容易通過器件的 I²C 串行接口保存到內(nèi)部 EEPROM 中。片內(nèi)上存儲器允許特定用戶設(shè)置。此外，這些控制器還能自主加電，而不會增加主處理器的負擔(dān)。輸出電壓、開關(guān)頻率、相位以及器件地址的默認設(shè)置可選擇由外部電阻分壓器配置。LTC3880/-1 具內(nèi)置的 16 位 ADC，提供了同類最佳的可編程性和遙測回讀。

    設(shè)定 LTC3880/-1 的分辨率和遙測準確度
    LTC3880/-1 的編程分辨率

V_OUT 命令
    • 12 位分辨率
    • 5.5V 范圍，每步進 1.375mV
    • 2.75V 范圍，每步進 687uV

電流限制設(shè)定點
    • 3 位分辨率，±5mV 的準確度
    • 25mV 至 75mV 范圍

OV/UV V_OUT 監(jiān)察器
    • 8 位分辨率，±2% 的準確度

OV/UV V_IN 監(jiān)察器
    • 8 位分辨率，±2% 的準確度

    LTC3880/-1 遙測分辨率
    輸入電流
    • 16 位分辨率
    • 每相位及合計

V_IN
    • 16 位分辨率，±2% 的準確度

V_OUT
    • 16 位分辨率，±0.5% 的準確度

I_OUT
    • 16 位分辨率
    • 6mV V_SENSE 時準確度為 ±1%
    • DCR 的校準因數(shù)

    LTC3880/-1 具內(nèi)置的集成式 MOSFET 柵極驅(qū)動器，以在 4.5V 至 24V 的輸入電壓范圍內(nèi)驅(qū)動全 N 溝道功率 MOSFET，而且在整個工作溫度范圍內(nèi)，這些器件能以每相位高達 30A 的輸出電流，在 0.5V 至 5.5V 的輸出電壓范圍內(nèi)，提供 ±0.50% 的準確度。LTC3880/-1 還可以驅(qū)動電源構(gòu)件或 DR MOS 器件。LTC3880/-1 的最短接通時間僅為 90ns，使其非常適用于緊湊型高頻 / 高降壓比應(yīng)用。跨多個芯片的準確定時和基于事件的排序允許優(yōu)化復(fù)雜的多軌系統(tǒng)的加電和斷電。

LTC3880 具一個內(nèi)置的 LDO。LTC3880-1 允許使用外部偏置電壓，以實現(xiàn)最高效率。這兩款器件都采用耐熱增強型 6mm x 6mm QFN-40 封裝，具 -40°C 至 105°C 的工作節(jié)溫范圍。

真實應(yīng)用的數(shù)字系統(tǒng)管理
    大型多軌電源電路板通常由一個隔離式中間總線轉(zhuǎn)換器組成，該轉(zhuǎn)換器將 48V、24V 或其他背板電壓轉(zhuǎn)換到較低的中間總線電壓 (IBV)，一般為 12V，該 12V 電壓分配到 PC 板卡各處。每個負載點 DC-DC 轉(zhuǎn)換器將中間總線電壓降至所需的軌電壓，一般在 0.6V 至 5V 范圍，同時電流范圍為 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)換器控制一個多軌系統(tǒng)。負載點 DC/DC 可以是自含式模塊、單片器件或由多個具電感、電容及 MOSFET 的 DC-DC 控制器 IC 組成的解決方案。這些電壓軌通常對排序、電壓準確度、過流和過壓限制、裕度控制以及監(jiān)察有嚴格要求。

 
圖 2：有關(guān)怎樣通過一條 I²C / PMBus 控制 15 個電壓軌的方框圖

 顯然，電源管理的復(fù)雜性在提高，而且有超過 30 個軌的電路板并非不常見。這類電路板是密集排列的，而且數(shù)字電源系統(tǒng)管理電路必須不占用太大的電路板空間。該電路必須易于使用，而且能控制大量軌。凌力爾特的 LTC2978 兼有與 LTC3880/-1 及 LTC2874 一起工作必需的所有功能，以在單段 I2C 總線上控制多達 72 個電壓。LTC3880/-1 控制、監(jiān)視并產(chǎn)生兩個大電流軌。LTC2978 控制并監(jiān)視多達 8 個軌，而 LTC2974 控制并監(jiān)視 4 個軌。這樣的解決方案必須自主工作，或與系統(tǒng)主處理器通信以獲取命令、實現(xiàn)控制并報告遙測數(shù)據(jù)。圖 3 顯示了控制 DC/DC 轉(zhuǎn)換器的 LTC2978 的一個通道。

 
圖 3：LTC2978 控制一個外部 DC/DC 轉(zhuǎn)換器

開發(fā) PMBus 命令語言是為滿足大型多軌系統(tǒng)的需求。除了一套定義完備的標準命令以外，PMBus 兼容器件還可以采用它們自己的專有命令，以提供創(chuàng)新性增值功能。大部分命令和數(shù)據(jù)格式的標準化對制造這類系統(tǒng)板的原始設(shè)備制造商 (OEM) 很有利。該協(xié)議是通過業(yè)界標準 SMBusTM 串行接口實現(xiàn)的，實現(xiàn)了電源轉(zhuǎn)換產(chǎn)品的設(shè)定、控制和實時監(jiān)視。命令語言和數(shù)據(jù)格式標準化允許 OEM 非常容易地開發(fā)和重用固件，這可以幫助電源系統(tǒng)設(shè)計師縮短產(chǎn)品開發(fā)時間并加快上市。如需更多信息，請訪問：http://pmbus.org。

憑借超過 75 種 PMBus 標準命令的功能，用戶可以利用其中一種最流行的開放標準電源管理協(xié)議，對電源系統(tǒng)進行充分的運行控制。通過確定 ALERT 引腳以響應(yīng)所支持的 PMBus 故障，用戶還可以為系統(tǒng)控制器產(chǎn)生中斷請求。凌力爾特提供的 LTpowerPlay 圖形用戶界面使用戶能非常容易地獲取 LTC3880/-1 的運行狀態(tài)和設(shè)定值。

結(jié)論
    數(shù)字電源為電源建立了一種新的設(shè)計環(huán)境，這在幾個方面創(chuàng)造了價值。首先，在開發(fā)階段，用一個簡單的 PC 連接對模擬電源實施數(shù)字控制非常有用，使設(shè)計師能讓系統(tǒng)迅速進入工作狀態(tài)。多軌系統(tǒng)設(shè)計師需要非常容易地監(jiān)視、控制和調(diào)節(jié)電源電壓、限值和排序。生產(chǎn)裕度測試比傳統(tǒng)方法更容易進行，因為整個測試可以通過 I²C / PMBus 總線用幾條標準命令控制。

有關(guān)電源工作狀態(tài)，電源系統(tǒng)數(shù)據(jù)可以發(fā)回給 OEM，從而有效地打開了與 DC/DC 轉(zhuǎn)換器工作狀態(tài)有關(guān)的盲點。如果一個電路板被返回了，那么可以回讀故障日志，以確定發(fā)生了什么故障、電路板溫度以及故障時間。這類數(shù)據(jù)可用來快速確定故障的根源，確定系統(tǒng)工作時是否超出了規(guī)定的工作限度，或者用來改進未來產(chǎn)品的設(shè)計。

一個設(shè)計恰當(dāng)?shù)臄?shù)字電源管理系統(tǒng)可為用戶提供功耗數(shù)據(jù)，允許做出智能能量管理決策，這可用來降低總體功耗。數(shù)字電源并不能解決所有人的問題，不過就多軌復(fù)雜系統(tǒng)和需要保留電源系統(tǒng)狀態(tài)記錄的 OEM 來說，數(shù)字電源是一個非常強大的工具。