數(shù)字電源系統(tǒng)管理消除了“盲點(diǎn)”

背景

盡管電源管理對(duì)于新式電子系統(tǒng)的可靠運(yùn)作至關(guān)緊要，但穩(wěn)壓器或許是當(dāng)今系統(tǒng)中所剩下的最后一個(gè)“盲點(diǎn)”，因?yàn)樗鼈儾痪邆鋵?duì)關(guān)鍵電源系統(tǒng)操作參數(shù)進(jìn)行直接配置或監(jiān)視的方法。于是，電源設(shè)計(jì)師不得不使用一大堆排序器、微控制器和電壓監(jiān)控器來(lái)設(shè)置基本的穩(wěn)壓器啟動(dòng)和安全功能。雖然數(shù)字式可編程 DC/DC 轉(zhuǎn)換器面市已經(jīng)多年 (最著名的就是在具有 VID 輸出電壓控制功能的 VRM 內(nèi)核電源中)，但它們一直缺乏直接利用穩(wěn)壓器來(lái)監(jiān)視操作狀態(tài)信息 (特別是實(shí)時(shí)電流) 的能力。

憑借通過(guò)一個(gè)計(jì)算機(jī)接口設(shè)置和監(jiān)視電源各種參數(shù)的能力，數(shù)字電源系統(tǒng)管理正在逐步打開(kāi)這一盲點(diǎn)?？删幊虆?shù)包括輸出電壓、排序、跟蹤、多個(gè)電源軌的延遲和斜坡、過(guò)流限值以及過(guò)壓設(shè)定點(diǎn)和工作頻率。此外，數(shù)字電源系統(tǒng)管理還能回讀遠(yuǎn)端采樣數(shù)據(jù)并匯報(bào)輸入電壓、輸出電壓 / 電流、溫度甚至故障情況。

網(wǎng)絡(luò)設(shè)備的系統(tǒng)設(shè)計(jì)師正面臨著提升其系統(tǒng)的數(shù)據(jù)吞吐量和性能并增加功能及特點(diǎn)的壓力。與此同時(shí)，如何減少系統(tǒng)的總功耗也是其必需應(yīng)對(duì)的難題。在數(shù)據(jù)中心里，人們所面對(duì)的挑戰(zhàn)是需要通過(guò)重新編排工作流程并將某些任務(wù)轉(zhuǎn)移至那些工作量不足的服務(wù)器 (從而可將其他的服務(wù)器關(guān)斷) 來(lái)降低總功耗。為了滿(mǎn)足這些需求，了解終端用戶(hù)設(shè)備的功耗是非常重要的。正確設(shè)計(jì)的數(shù)字電源管理系統(tǒng)能夠?yàn)橛脩?hù)提供功耗數(shù)據(jù)，這樣就可以做出靈活的能量管理決策。

多軌板級(jí)電源系統(tǒng)

大多數(shù)嵌入式系統(tǒng)均通過(guò)一塊 48V 背板來(lái)供電。一般是將該電壓降壓至一個(gè)較低的中間總線(xiàn)電壓 (比如：12V)，以為系統(tǒng)內(nèi)部的電路板支架供電。然而，這些電路板上的大多數(shù)子電路或 IC 都需要在 1V 以下至 3.3V 的電壓范圍以及數(shù)十 mA 至數(shù)百 A 的電流范圍內(nèi)運(yùn)作。因此，為了將中間總線(xiàn)電壓降壓至子電路或 IC 所需的期望電壓，負(fù)載點(diǎn) (POL) DC/DC 轉(zhuǎn)換器是必不可少的。這些電源軌通常具有嚴(yán)格的排序、電壓準(zhǔn)確度、裕度調(diào)節(jié)和監(jiān)控要求。

在數(shù)據(jù)通信、電信或存儲(chǔ)系統(tǒng)中存在多達(dá) 20 個(gè) POL 電壓軌的情況并不少見(jiàn)，系統(tǒng)設(shè)計(jì)師因而需要一種按照其輸出電壓、排序和最大可容許電流要求來(lái)管理這些電壓軌的簡(jiǎn)單方法。許多處理器要求其 I/O 電壓在其內(nèi)核電壓之前上升，而有些 DSP 則要求其內(nèi)核電壓先于其 I/O 電壓上升。斷電排序也是不可或缺的。因此，設(shè)計(jì)人員需要一種簡(jiǎn)便易行的調(diào)整方法以?xún)?yōu)化系統(tǒng)性能并存儲(chǔ)用于每個(gè) DC/DC 轉(zhuǎn)換器的特定配置，從而達(dá)到簡(jiǎn)化設(shè)計(jì)工作的目的。

為了避免昂貴的 ASIC 遭受過(guò)壓情況的可能性，高速比較器必須監(jiān)視每個(gè)電源軌的電壓電平，并在某個(gè)電源軌超出其規(guī)定的安全操作限值范圍時(shí)立即采取保護(hù)措施。在數(shù)字電源系統(tǒng)中，可以在發(fā)生故障時(shí)通過(guò) PMBus 報(bào)警線(xiàn)路通知主機(jī)，并可將有關(guān)的電源軌關(guān)斷以對(duì)諸如 ASIC 等受電器件實(shí)施保護(hù)。實(shí)現(xiàn)這種保護(hù)水平需要比較好的準(zhǔn)確度以及大約數(shù)十 μs 的響應(yīng)時(shí)間。

凌力爾特公司近期推出的 LTC3880/-1 提供了高度準(zhǔn)確的數(shù)字電源系統(tǒng)管理，并利用其高分辨率可編程性及快速遙測(cè)回讀實(shí)現(xiàn)了實(shí)時(shí)控制以及關(guān)鍵負(fù)載點(diǎn)轉(zhuǎn)換器功能的監(jiān)視。該器件是一款雙通道輸出、高效率同步降壓型 DC/DC 控制器，具有基于 I2C 的 PMBus 接口以及 100 多條命令和內(nèi)置 EEPROM。LTC3880/-1 整合了同類(lèi)最佳的模擬開(kāi)關(guān)穩(wěn)壓控制器性能和高精度混合信號(hào)數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換，可實(shí)現(xiàn)電源系統(tǒng)設(shè)計(jì)和管理的超卓簡(jiǎn)易性，此器件得到了具有易用型圖形用戶(hù)界面 (GUI) 的 LTpowerPlay 軟件開(kāi)發(fā)系統(tǒng)的支持。圖 1 示出了典型的 LTC3880 應(yīng)用原理圖。

圖 1：LTC3880 的典型應(yīng)用原理圖

LTC3880/-1 可調(diào)節(jié)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，從而最大限度地放寬大電流或多輸出應(yīng)用的輸入和輸出濾波要求。一個(gè)內(nèi)置差分放大器提供了真正的遠(yuǎn)端輸出電壓采樣。

集成型柵極驅(qū)動(dòng)器可依靠范圍為 4.5V 至 24V 的輸入電壓來(lái)為全 N 溝道功率 MOSFET 供電，而且在整個(gè)工作溫度范圍內(nèi)，在輸出電流高達(dá)每相 30A 時(shí)，該器件可產(chǎn)生準(zhǔn)確度為 ±0.50% 并高達(dá) 5.5V 的輸出電壓?？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)雜和多軌系統(tǒng)的上電和斷電。LTC3880 具有一個(gè)用于控制器和柵極驅(qū)動(dòng)電源的內(nèi)置 LDO，而 LTC3880-1 則允許用外部偏置電壓實(shí)現(xiàn)最高效率。這兩款器件都采用耐熱性能增強(qiáng)型 6mm x 6mm QFN-40 封裝。

用于數(shù)字電源系統(tǒng)管理的控制接口

PMBus 命令語(yǔ)言專(zhuān)為滿(mǎn)足大型多軌系統(tǒng)的需要而開(kāi)發(fā)，是一種采用完全定義的命令語(yǔ)言之開(kāi)放標(biāo)準(zhǔn)電源管理協(xié)議，可簡(jiǎn)化與功率轉(zhuǎn)換器、電源管理器件及系統(tǒng)主處理器的通信。除了一組精確定義的標(biāo)準(zhǔn)命令之外，符合 PMBus 標(biāo)準(zhǔn)的器件還能夠執(zhí)行其特有的專(zhuān)用命令，以提供一種對(duì) POL DC/DC 轉(zhuǎn)換器進(jìn)行編程和監(jiān)視的創(chuàng)新型方法。該協(xié)議通過(guò)業(yè)界標(biāo)準(zhǔn)的 SMBus 串行接口來(lái)執(zhí)行，并實(shí)現(xiàn)了功率轉(zhuǎn)換產(chǎn)品的編程、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)化可實(shí)現(xiàn)簡(jiǎn)易的固件開(kāi)發(fā)，從而加快了產(chǎn)品的面市進(jìn)程。如需了解更多信息，請(qǐng)登錄 http://pmbus.org 網(wǎng)站查詢(xún)。

LTC3880/-1 的可編程控制參數(shù)包括輸出電壓、裕度調(diào)節(jié)、電流限值、輸入和輸出監(jiān)控限值、上電排序和跟蹤、開(kāi)關(guān)頻率、識(shí)別及可追溯性數(shù)據(jù)。片內(nèi)高精度數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換器和 EEPROM 允許捕獲穩(wěn)壓器配置設(shè)定值和遙測(cè)變量值，包括輸入和輸出電壓及電流、占空比、溫度以及故障記錄，并對(duì)這些設(shè)定值和變量進(jìn)行非易失性存儲(chǔ)。下面的表 1 羅列了可采用 LTC3880/-1 進(jìn)行編程的一些參數(shù)、其高分辨率、遙測(cè)回讀能力和替代解決方案。

表 1：某些 LTC3880/-1 可編程參數(shù)以及遙測(cè)回讀能力和準(zhǔn)確度

LTC3880/-1 的配置可以很容易地通過(guò)器件的 I2C 串行接口保存到內(nèi)部EEPROM 中。由于配置存儲(chǔ)在芯片上，所以該控制器能夠自主上電，而不會(huì)增加主處理器的負(fù)擔(dān)。輸出電壓、開(kāi)關(guān)頻率、相位和器件地址的缺省設(shè)置可以選擇通過(guò)外部電阻分壓器進(jìn)行配置。多種設(shè)計(jì)可以非常容易地在固件中校準(zhǔn)和配置，以為一系列應(yīng)用優(yōu)化單個(gè)硬件設(shè)計(jì)。

模擬控制環(huán)路

LTC3880/-1 是一款適合眾多功能 (例如：輸出電壓、電流限制設(shè)定點(diǎn)和排序等等) 的數(shù)字式可編程控制器，但它具有一個(gè)旨在實(shí)現(xiàn)最佳環(huán)路穩(wěn)定性和瞬態(tài)響應(yīng)的模擬反饋控制環(huán)路，而沒(méi)有數(shù)字控制環(huán)路的量化效應(yīng)。

圖 2 示出了采用模擬反饋控制環(huán)路 (LTC3880) 和數(shù)字反饋控制環(huán)路的控制器 IC 內(nèi)部不同的斜坡曲線(xiàn)。模擬環(huán)路具有一個(gè)平滑的斜坡，而數(shù)字環(huán)路則類(lèi)似于一個(gè)階躍函數(shù)，這會(huì)引起穩(wěn)定性問(wèn)題、減緩瞬態(tài)響應(yīng)速度、并在某些應(yīng)用中導(dǎo)致需要增加輸出電容，而且，數(shù)字環(huán)路的量化效應(yīng)將造成輸出紋波增大。

圖 2：LTC3880 的模擬控制環(huán)路與數(shù)字控制環(huán)路的比較

而且，相比于數(shù)字控制環(huán)路替代方案，LTC3880 最多能節(jié)省 50% 的輸出電容值，同時(shí)穩(wěn)定性也更好 (實(shí)現(xiàn)穩(wěn)定所需的時(shí)間較短)。此外，數(shù)字控制瞬態(tài)響應(yīng)在穩(wěn)定之前還會(huì)出現(xiàn)振蕩，這是由于量化效應(yīng)及其 ADC 分辨率的局限性所造成的。圖 3 對(duì)比了模擬控制環(huán)路與數(shù)字控制環(huán)路的瞬態(tài)響應(yīng)。

圖 3：25A 階躍時(shí)模擬控制環(huán)路與數(shù)字控制環(huán)路的瞬態(tài)響應(yīng)比較 (對(duì)于一個(gè)工作頻率為 400kHz 的 12VIN 至 1.2VOUT DC/DC 轉(zhuǎn)換器)。

再者，因 ADC、數(shù)字補(bǔ)償器和數(shù)字 PWM 而產(chǎn)生的數(shù)字控制環(huán)路量化效應(yīng)還將給輸出紋波增加額外的電壓 (取決于 ADC 的分辨率和環(huán)路設(shè)計(jì))。與此相反，模擬控制環(huán)路則不存在這種額外的輸出紋波電壓。

結(jié)論

數(shù)字電源系統(tǒng)管理的主要優(yōu)點(diǎn)之一是能夠減低設(shè)計(jì)成本和加快產(chǎn)品的上市速度。通過(guò)采用一種具直觀圖形用戶(hù)界面 (GUI) 的集成開(kāi)發(fā)環(huán)境，可以高效地開(kāi)發(fā)復(fù)雜的多軌系統(tǒng)。此類(lèi)系統(tǒng)還通過(guò)利用 GUI (而不是焊接裝配) 進(jìn)行調(diào)整而簡(jiǎn)化了在線(xiàn)測(cè)試 (ICT) 和電路板調(diào)試。

數(shù)字電源系統(tǒng)管理的另一個(gè)優(yōu)點(diǎn)是具備預(yù)知電源系統(tǒng)故障并啟動(dòng)保護(hù)性措施的潛力，這得益于實(shí)時(shí)遙測(cè)數(shù)據(jù)的提供。也許最重要的一點(diǎn)是：具有數(shù)字管理功能的 DC/DC 轉(zhuǎn)換器將使得設(shè)計(jì)人員能夠開(kāi)發(fā)出“綠色”電源系統(tǒng)，此類(lèi)電源系統(tǒng)可滿(mǎn)足目標(biāo)性能、且能夠通過(guò)重新編排工作流程并將某些任務(wù)轉(zhuǎn)移至那些工作量不足的服務(wù)器 (從而可將其他的服務(wù)器關(guān)斷) 來(lái)確定何時(shí)降低總功耗。由于在負(fù)載點(diǎn)、電路板、支架、甚至安裝級(jí)上的能源使用量極少，因而有助于降低基礎(chǔ)設(shè)施成本以及產(chǎn)品生命周期中的總擁有成本。