數(shù)字電源系統(tǒng)管理產(chǎn)品加快了系統(tǒng)部署和最大限度降低運行成本 從而實現(xiàn)預(yù)測性分析和更加明智的能耗管理

我們目前面臨的一個關(guān)鍵挑戰(zhàn)是，通過準(zhǔn)確了解從宏觀到微觀的功率使用情況來降低功耗。例如，了解從大型伺服器群組到每個機(jī)架式系統(tǒng)中安裝在電路板上的電源之功率使用情況。在電壓軌很多的電路板上管理電源并實現(xiàn)靈活性可能非常困難，而且需要工程師用數(shù)字電壓表 (DVM) 和示波器進(jìn)行人手探測，而且結(jié)果是常常需要更換 PCB 組件。為了簡化這類電源管理任務(wù)，人們開始通過數(shù)字通信總線來配置和監(jiān)視電源，這種趨勢越來越明顯。換言之，這種方式實現(xiàn)了設(shè)定、監(jiān)視、更改和記錄電源參數(shù)的遙測能力。這種方法經(jīng)常稱為“數(shù)字電源”或“電源系統(tǒng)管理”，能夠使系統(tǒng)設(shè)計師在產(chǎn)生原型產(chǎn)品、部署和現(xiàn)場運行時，簡化和加速系統(tǒng)描述及優(yōu)化過程。

圖 1：使用數(shù)字電源系統(tǒng)管理產(chǎn)品，能夠針對任何規(guī)模的系統(tǒng)更加準(zhǔn)確地管理能耗和運行成本，這類產(chǎn)品具備數(shù)字總線遙測功能、板級存儲器和軟件控制功能

數(shù)字電源系統(tǒng)管理：通過數(shù)字總線接口訪問、監(jiān)視和更改關(guān)鍵電源參數(shù)

數(shù)字電源系統(tǒng)管理 (Digital Power System Management ─ DPSM) 產(chǎn)品是通過兩線 PMBus 接口接受配置和監(jiān)視的。PMBus 是一種開放的 I2C 數(shù)字接口協(xié)議。這使得數(shù)字電源系統(tǒng)管理產(chǎn)品能夠與現(xiàn)有嵌入式系統(tǒng)和架構(gòu)、安裝在電路板上的控制器 (Board Mount Controllers - BMC) 以及智能平臺管理接口 (Intelligent Platform Management Interface ─ IPMI) 功能實現(xiàn)無縫集成。為了簡單易用，尤其是在硬件開發(fā)及測試的早期，人們使用在 PC 上運行的圖形用戶界面 (Graphical User Interface ─ GUI)，通過 USB 至 PMBus 適配電路板與 DPSM 產(chǎn)品通信。圖 2 所示方框圖顯示了用 DPSM 控制 8 個負(fù)載點 (Point-of-Load ─ POL) 穩(wěn)壓器的典型方法。該圖包括若干 POL 穩(wěn)壓器、一個 DPSM 構(gòu)件、數(shù)字總線以及一個收集和傳送數(shù)據(jù)的主控制器。

圖 2：具備數(shù)字遙測的數(shù)字電源系統(tǒng)管理產(chǎn)品允許隨時更改參數(shù)而不需更換硬件

DPSM 產(chǎn)品可以為用戶提供與電源有關(guān)的關(guān)鍵數(shù)據(jù)：用戶可以通過數(shù)字總線讀取負(fù)載電流、輸入電流、輸出電壓、計算功耗、效率以及讀取其他電源管理參數(shù)。這樣就能夠進(jìn)行預(yù)測性分析、最大限度降低運行成本、增強可靠性并做出明智的能耗管理決策。

DPSM 的好處：電壓優(yōu)化提高 ASIC、FPGA 和處理器性能

在為 ASIC、FPGA 等低壓器件供電時，POL 穩(wěn)壓器的輸出電壓準(zhǔn)確度至關(guān)重要。DPSM 產(chǎn)品用一個非常準(zhǔn)確和穩(wěn)定的模數(shù)轉(zhuǎn)換器 (ADC) 不斷測量電源輸出電壓。時間伺服環(huán)路自動調(diào)節(jié)微調(diào) DAC 的值，這消除了電源輸出電壓漂移，并極大地提高了準(zhǔn)確度。另一方面，由于溫度變化和制造容限，傳統(tǒng)電源的輸出電壓會隨時間變化而漂移。這種電壓漂移可能超出設(shè)計裕度。此外，對于傳統(tǒng)電源而言，僅能通過更改 PCB 或更換元件來調(diào)節(jié)輸出電壓、排序安排以及電壓和電流監(jiān)察門限。

圖 3 總結(jié)了 DPSM 產(chǎn)品 (右) 與傳統(tǒng) POL 轉(zhuǎn)換器 (左) 相比較的優(yōu)點。[!--empirenews.page--]

圖 3：DPSM 產(chǎn)品用非常準(zhǔn)確和穩(wěn)定的 ADC 不斷測量電源輸出電壓。諸如 LTpowerPlay™ 等簡單的 GUI 可用來進(jìn)行電源參數(shù)的 READ / WRITE

PSM 的好處：動態(tài)控制電源參數(shù)以降低能耗

傳統(tǒng)電源的電壓是固定的，而且不可能輕易地隨時改變。另一方面，以數(shù)字方式管理的電源卻可通過行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)的兩線數(shù)字接口調(diào)節(jié)，而且有些電源的分辨率好于 1mV。憑借 DPSM 產(chǎn)品，人們可以微調(diào)系統(tǒng)性能，最大限度地減少功率浪費，采用動態(tài)電壓及頻率調(diào)節(jié)等方法，這類方法已經(jīng)顯示可降低總體系統(tǒng)能耗。

圖 4：DPSM 產(chǎn)品可以輕松配置，以通過 LTpowerPlay 等簡單的 GUI來微調(diào)系統(tǒng)性能，并通過采用動態(tài)電壓和頻率調(diào)節(jié)等方法，最大限度地減少功率浪費

PSM 的好處：遙測和板上非易失性存儲器可實現(xiàn)精確無縫的系統(tǒng)監(jiān)視、保護(hù)和數(shù)據(jù)記錄

在傳統(tǒng)電源中，有些復(fù)雜系統(tǒng)監(jiān)視功能通常是與 DC/DC 穩(wěn)壓器分離的，需要額外的監(jiān)察 IC 或電路。此外，雖然可以檢測過壓 (OV)、欠壓 (UV) 和過流 (OC) 故障等板級功能，但不是所有檢測結(jié)果都向主控制器報告，至少不是以簡單、無縫的方式報告。

在以數(shù)字方式管理的穩(wěn)壓器中，電源監(jiān)視功能是內(nèi)置和可編程的。一個 POL 的故障情況可以輕易與其他 POL 相結(jié)合以產(chǎn)生針對各種故障情況的定制響應(yīng)。

通過 DPSM 產(chǎn)品，檢測到的故障能夠與準(zhǔn)確度很高的電壓、電流和溫度測量結(jié)果相關(guān)聯(lián)。內(nèi)部非易失性存儲器可以存儲對調(diào)試和根本原因分析的有用信息。

另一個感興趣的題目是系統(tǒng)電壓軌的準(zhǔn)確排序安排，這種安排常常在電路板制造完畢、電源電壓斜坡率需要調(diào)整時才能知道。在傳統(tǒng)電源中，雖然可以完成排序和斜坡上升，但是這些值是靜態(tài)的，只能通過電路板級更改才能調(diào)節(jié)。隨著穩(wěn)壓器配備了 DPSM 能力，電源參數(shù)就可以通過軟件配置了。因此不再需要電路板級或組件級更改。電源參數(shù)校正可以在室內(nèi)完成，因此無需重新鑒定，也不會導(dǎo)致產(chǎn)品延遲上市。

一個顯然的優(yōu)勢是調(diào)試和故障查找更快、更簡單。在傳統(tǒng)電源設(shè)計中，調(diào)試和故障查找是用外部測量儀表和探頭完成的，這使得測量難以進(jìn)行。在以數(shù)字方式管理的電源中，測試硬件是內(nèi)置到每個 POL 中的，測量值可以運用 GUI、通過數(shù)字接口讀取。

最后的例子是裕度測試。裕度測試的做法是，故意超出電源限制以模擬最差性能。裕度測試是惟一可接受的另一種最差情況分析方法，這非常昂貴并需耗費大量時間。

在傳統(tǒng) POL 中加入裕度測試提高了復(fù)雜性，而且由于制造容限而導(dǎo)致不準(zhǔn)確問題。在 DPSM 產(chǎn)品中，裕度測試是內(nèi)置的，非常準(zhǔn)確。此外，每個 POL 都可能有自己的裕度水平 (高和低)，但是憑借 DPSM 產(chǎn)品，電源電壓的復(fù)雜組合可以通過數(shù)字接口設(shè)定。這為最差情況系統(tǒng)級性能分析提供了一種快速和簡便的方法。

控制電源：具備 DPSM 能力的雙通道 13A 微型模塊穩(wěn)壓器

凌力爾特公司提供的 DPSM 產(chǎn)品包括電源系統(tǒng)管理 IC，如圖 5 所示 (這些 IC 不包括 DC/DC 穩(wěn)壓器功能，但是控制系統(tǒng)板上的穩(wěn)壓器，如上部的圖所示)。[!--empirenews.page--]

下一個系列是 DC/DC 穩(wěn)壓器 IC，這些穩(wěn)壓器包括數(shù)字電源系統(tǒng)管理功能，如圖 5 中部的圖所示。

DPSM 系列中增加的一個新系列是具備 PSM 的微型模塊 (µModule®) 電源產(chǎn)品。微型模塊穩(wěn)壓器包括電感器、功率 MOSFET 和補償電路，如圖 5 下部的圖所示。LTM4676 是這個系列的首款微型模塊產(chǎn)品。

除了為一或兩個負(fù)載點供電，LTM4676 還可通過 PMBus 來配置，并對電源及電源管理參數(shù)進(jìn)行遙測監(jiān)視。PMBus 是一種開放并基于 I2C 的數(shù)字串行接口協(xié)議。運用 LTM4676 的兩線串行接口，可設(shè)定輸出裕度、微調(diào)輸出，還可按照排序延遲時間使輸出以可編程轉(zhuǎn)換率斜坡上升或下降。LTM4676 具備一個內(nèi)置的 16 位 ADC 和一個基于 I2C 的接口，用戶可以回讀輸入和輸出電流及電壓、輸出功率、溫度以及運行時間。有些峰值是可讀的。輸出電壓在檢測點上調(diào)節(jié)，隨溫度、電壓和負(fù)載條件變化調(diào)節(jié)準(zhǔn)確度好于 ±1%。如需更嚴(yán)格的規(guī)格選擇，可與我們聯(lián)系。

該器件規(guī)定，在 10A 負(fù)載時的輸出電流回讀為 ±2.5%。這樣的準(zhǔn)確度使得能夠準(zhǔn)確地描述和監(jiān)視 ASIC、FPGA 和 CPU/GPU 的功耗。再結(jié)合可隨時微調(diào)輸出電壓的能力，LTM4676 為實現(xiàn)動態(tài)電壓調(diào)節(jié)、減載以及其他方法創(chuàng)造了機(jī)會，可以按照用戶設(shè)定的電源管理目標(biāo)，最充分地挖掘系統(tǒng)的價值。

運用 LTM4676，就能夠以數(shù)字方式監(jiān)視系統(tǒng)中的所有電壓軌，而且易于實現(xiàn)。通過數(shù)字監(jiān)視，可詳細(xì)了解能耗、加載模式和長期趨勢。這類數(shù)據(jù)使我們有機(jī)會開發(fā)預(yù)測性分析，針對預(yù)防性維護(hù)調(diào)度做出有根據(jù)的決策。

故障日志功能允許檢索 LTM4676 直至系統(tǒng)停機(jī)事件之前瞬間記錄的數(shù)據(jù)。這在高端系統(tǒng)中，可以將診斷問題的時間減少數(shù)小時甚至數(shù)天，而且校正診斷出的問題也非常簡單，通過 PC 更改某些寄存器設(shè)定就可以。此外，還可以現(xiàn)場監(jiān)視和升級系統(tǒng)電源。

圖 5a：LTM4676 是一款具備 DPSM 能力的雙通道 13A 或單通道 26A µModule 穩(wěn)壓器。該器件采用 16mm x 16mm x 5.01mm BGA 封裝，簡化了 DC/DC 電路設(shè)計和數(shù)字遙測。

圖 5b

總結(jié)

LTM4676 µModule穩(wěn)壓器具備數(shù)字遙測和數(shù)字電源系統(tǒng)管理能力，使系統(tǒng)設(shè)計師能夠在產(chǎn)生原型產(chǎn)品、部署及現(xiàn)場運行時，簡化和加速系統(tǒng)描述及優(yōu)化。該器件提供極其準(zhǔn)確的電源參數(shù)讀寫，經(jīng)過優(yōu)化，可與電壓非常低、功率非常大的 IC 一起使用，例如 ASIC、FPGA 和處理器。讓我們用 LTM4676 控制您的系統(tǒng)電源吧!