適用于所有場(chǎng)合的數(shù)字電源系統(tǒng)管理

引言

嵌入式系統(tǒng)、網(wǎng)絡(luò)和數(shù)據(jù)通信設(shè)備的系統(tǒng)設(shè)計(jì)師一直在被迫提高數(shù)據(jù)吞吐量和系統(tǒng)性能以及增加各種功能。同時(shí)，他們也面臨著降低系統(tǒng)總體功耗的壓力。例如，在數(shù)據(jù)中心中面臨的挑戰(zhàn)是，通過(guò)重新安排工作流程，將作業(yè)轉(zhuǎn)移到未得到充分利用的服務(wù)器上，使其他服務(wù)器能夠停機(jī)，以此來(lái)降低總體功耗。不過(guò)，為了滿足這些要求，有必要了解最終用戶設(shè)備的功耗。為了實(shí)現(xiàn)這個(gè)目標(biāo)，可以采用恰當(dāng)設(shè)計(jì)的數(shù)字電源管理系統(tǒng)，這種系統(tǒng)能夠?yàn)橛脩籼峁┕臄?shù)據(jù)，方便做出明智的能源管理決策。

為了更好地理解這個(gè)概念，考慮一下實(shí)際的嵌入式系統(tǒng)例子。大多數(shù)嵌入式系統(tǒng)通過(guò) 48V 背板供電。這個(gè)電壓通常被降至更低的中間總線電壓，一般為 12V，然后再進(jìn)一步降至 3.3V，以給系統(tǒng)中一架一架的電路板供電。不過(guò)，這些電路板上的大多數(shù)子電路或 IC 需要以不到 1V 至 3V 的電壓以及數(shù)十毫安至數(shù)百安培的電流工作。結(jié)果，負(fù)載點(diǎn) (PoL) DC/DC 轉(zhuǎn)換器有必要將這一中間總線電壓降至子電路或 IC 所要求的電壓。而且，使問(wèn)題更加復(fù)雜的是，這些電壓軌對(duì)排序、電壓準(zhǔn)確度、裕度調(diào)節(jié)以及監(jiān)察有嚴(yán)格要求。

既然在數(shù)據(jù)通信、電信或存儲(chǔ)系統(tǒng)中可能有超過(guò) 50 個(gè) PoL 電壓軌，那么系統(tǒng)設(shè)計(jì)師就需要一種簡(jiǎn)單的方法來(lái)管理這些軌的輸出電壓、排序以及可允許的最大電流。某些處理器要求其輸入/輸出 (I/O) 電壓在內(nèi)核電壓之前上升，而某些 DSP 則要求其內(nèi)核電壓在 I/O 電壓之前上升。使問(wèn)題更加復(fù)雜的是，斷電排序也是必要的。因此，設(shè)計(jì)師們需要一種簡(jiǎn)單的方法來(lái)更改系統(tǒng)，以針對(duì)每一個(gè) DC/DC 轉(zhuǎn)換器優(yōu)化系統(tǒng)性能和存儲(chǔ)特定配置值，進(jìn)而從總體上簡(jiǎn)化設(shè)計(jì)工作。

此外，為了針對(duì)可能出現(xiàn)的過(guò)壓情況保護(hù)昂貴的 ASIC，高速比較器必須監(jiān)視每個(gè)軌的電壓值，而且在某個(gè)軌超出其規(guī)定的安全工作限度時(shí)立即采取保護(hù)行動(dòng)。在數(shù)字電源系統(tǒng)中，如果發(fā)生故障，可以通過(guò) PMBus 報(bào)警線路通知主機(jī)，而且可以關(guān)斷從屬軌，以保護(hù) ASIC 等接受供電的器件。實(shí)現(xiàn)這種級(jí)別的保護(hù)需要合理的準(zhǔn)確度和數(shù)十微妙量級(jí)的響應(yīng)時(shí)間。

出于這些原因，數(shù)字電源轉(zhuǎn)換 IC 需要提供高度準(zhǔn)確的數(shù)字電源系統(tǒng)管理以及高分辨率可編程性和快速遙測(cè)回讀，以實(shí)時(shí)控制和監(jiān)視關(guān)鍵負(fù)載點(diǎn)轉(zhuǎn)換器功能。這些 IC 必須通過(guò)基于 I2C 的 PMBus 接口、以超過(guò) 100 條命令提供高效率同步降壓型轉(zhuǎn)換，還必須有內(nèi)置 EEPROM。這些器件必須兼有一流的模擬開(kāi)關(guān)穩(wěn)壓器控制器和精確的混合信號(hào)數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換功能，以實(shí)現(xiàn)無(wú)比簡(jiǎn)便的電源系統(tǒng)設(shè)計(jì)和管理。最后，還有一個(gè)迫切解決的問(wèn)題，必須有具備易用圖形用戶界面 (GUI) 的軟件開(kāi)發(fā)系統(tǒng)支持這些器件。

更小就是更快

模擬電源進(jìn)步常常是由所開(kāi)發(fā)的電路概念導(dǎo)致的。這類(lèi)進(jìn)步很少超出制造商范疇，最終幾乎不會(huì)進(jìn)入多家公司的多種產(chǎn)品。這與數(shù)字工藝技術(shù)的進(jìn)步不同，數(shù)字工藝技術(shù)的進(jìn)步往往會(huì)在整個(gè)行業(yè)內(nèi)快速普及。隨著時(shí)間推移得到普及的模擬 IC 設(shè)計(jì)概念包括斬波器穩(wěn)定型放大器、增量累加 A/D 轉(zhuǎn)換器、突發(fā)模式 (BurstMode®) 穩(wěn)壓器、帶隙基準(zhǔn)以及 3 終端穩(wěn)壓器。然而，以不同工藝技術(shù)實(shí)現(xiàn)復(fù)雜功能的知識(shí)依然在不斷增多。這些知識(shí)使得每年都能夠產(chǎn)生功能進(jìn)一步增強(qiáng)的混合信號(hào) IC。

數(shù)字 IC 線寬越來(lái)越小也對(duì)模擬 IC 產(chǎn)生了影響。這些工藝技術(shù)的速度不斷加快，并提高了基于這些工藝技術(shù)制造的模擬 IC 的速度。模數(shù) (A/D) 轉(zhuǎn)換器就是一個(gè)很好的例子，線寬減小已經(jīng)導(dǎo)致產(chǎn)生了更快的 A/D 轉(zhuǎn)換器。電路的進(jìn)步提高了分辨率和速度，最新器件以 16 位分辨率提供 200Mbps 的轉(zhuǎn)換率。隨著人們開(kāi)發(fā)出速度越來(lái)越快、準(zhǔn)確度越來(lái)越高的工藝技術(shù)，我們有理由認(rèn)為，新器件將會(huì)繼續(xù)提高速度和精確度。

這些更小的線寬使一些數(shù)字功能得以實(shí)現(xiàn)，而以前在模擬 IC 上是不可行的。具電壓、電流和狀態(tài)信息數(shù)字回讀的電源控制器在提供電源功能的同一個(gè)芯片上實(shí)現(xiàn)了。線寬減小的一個(gè)附帶好處是，使用典型的小型數(shù)字工藝制造 IC 時(shí)，可以將 DMOS 晶體管包括進(jìn)來(lái)。這些 DMOS 器件可以應(yīng)對(duì)高壓和大電流，允許在同一個(gè)器件上全面集成電源轉(zhuǎn)換器、開(kāi)關(guān)穩(wěn)壓器以及電源和控制功能。

雙極型電路的技術(shù)進(jìn)步逐步導(dǎo)致產(chǎn)生更好的基準(zhǔn)、放大器和 RF IC。這些進(jìn)步是由電路系統(tǒng)的精細(xì)化和優(yōu)化、而不是由任何類(lèi)型的工藝技術(shù)突破導(dǎo)致的。模擬 IC 競(jìng)爭(zhēng)格局使所有制造商都常備不懈地努力改進(jìn)產(chǎn)品。不過(guò)，應(yīng)該提到的一點(diǎn)是，既然模擬 IC 性能是基于真實(shí)世界參數(shù)，那么這些 IC 最終就有可能達(dá)到理論上的性能極限。一旦接近理論上的性能極限，進(jìn)一步改進(jìn)就不可能了。這就是為什么今天最暢銷(xiāo)、使用最廣泛的 IC 仍然是 20 多年以前設(shè)計(jì)的，而且在此期間沒(méi)有任何改變。

數(shù)字電源系統(tǒng)管理 (DPSM)

在這樣的背景下，要為最終產(chǎn)品配置數(shù)字電源系統(tǒng)管理解決方案，系統(tǒng)設(shè)計(jì)師必須做哪些事情? 一個(gè)主要目標(biāo)將是，設(shè)計(jì)一個(gè)能夠非常容易地通過(guò)數(shù)字通信總線配置和監(jiān)視的系統(tǒng)。這將通過(guò)運(yùn)用以下各種總線之一實(shí)現(xiàn)：I2C、SMBus 或 PMBus。這些總線中的任何一種都能夠?qū)崿F(xiàn)按需遙測(cè)功能，以設(shè)定、監(jiān)視、更改和記錄系統(tǒng)內(nèi)任何 PoL 轉(zhuǎn)換器配置的電源參數(shù)。圖 1 所示是對(duì)這種系統(tǒng)的簡(jiǎn)要說(shuō)明。[!--empirenews.page--]

圖 1：典型數(shù)字電源系統(tǒng)的管理系統(tǒng)配置

正如在這個(gè)例子中可以看到的那樣，這些 PoL 轉(zhuǎn)換器采用了 3 種不同拓?fù)渑渲谩D中最上面的轉(zhuǎn)換器采用了一個(gè)電源系統(tǒng)管理器芯片和一個(gè)傳統(tǒng) DC/DC 轉(zhuǎn)換器。該 DC/DC 轉(zhuǎn)換器可以采用任何類(lèi)型的拓?fù)浜腿魏纬潭鹊募?，因?yàn)檫@是電源系統(tǒng)管理器，通過(guò)通信總線連接控制和監(jiān)視該轉(zhuǎn)換器。中間的 PoL 轉(zhuǎn)換器集成度更高，也就是說(shuō)，DC/DC 轉(zhuǎn)換器有內(nèi)置電源系統(tǒng)管理 (內(nèi)置在同一封裝中)。最后，圖中最下面的 PoL 轉(zhuǎn)換器是一個(gè)緊湊型模塊，在一個(gè)外殼中納入了電源系統(tǒng)管理器、DC/DC 轉(zhuǎn)換器以及所有相關(guān)的外部組件 (凌力爾特公司稱這類(lèi)模塊為 µModule® 穩(wěn)壓器)。

凌力爾特公司提供廣泛的器件選擇，以使系統(tǒng)設(shè)計(jì)師能夠選擇怎樣用系統(tǒng)管理器以及與其相關(guān)的 PoL DC/DC 轉(zhuǎn)換器配置他們的數(shù)字電源系統(tǒng)需求。圖 2 顯示了 LTC3884 的原理圖，該器件是一款雙輸出多相 (PolyPhase®) 降壓型控制器，適用于具數(shù)字系統(tǒng)電源管理的超低 DCR 檢測(cè)應(yīng)用。

圖 2：LTC3884 原理圖，提供 1.5V/20A 和 1.0V/30A

LTC3884 在 4.5V 至 38V 輸入電壓范圍內(nèi)工作，提供兩路大電流輸出，具基于 I2C 的 PMBus 兼容串行接口。該控制器采用恒定頻率電流模式架構(gòu)，其獨(dú)特的電路提高了電流檢測(cè)信號(hào)的信噪比，從而在超低 DCR 應(yīng)用中提供了卓越的性能。可編程環(huán)路補(bǔ)償使該控制器能夠以數(shù)字方式補(bǔ)償。開(kāi)關(guān)頻率、通道調(diào)相輸出電壓、以及器件地址都可以通過(guò)數(shù)字接口以及外部配置電阻器設(shè)定。此外，可以通過(guò)數(shù)字接口設(shè)定參數(shù)，或者將參數(shù)存儲(chǔ)在 EEPROM 中。兩路輸出都有獨(dú)立的電源良好指示器和故障功能。最后，具 GUI 的凌力爾特 LTpowerPlay™ 軟件開(kāi)發(fā)工具 (稍后更詳細(xì)地介紹) 支持該器件。

有些應(yīng)用可能需要 PoL 轉(zhuǎn)換器有更高的集成度，尤其是輸出電流不是很高的應(yīng)用，例如在 4A 至 6A 范圍。針對(duì)這類(lèi)情況，凌力爾特開(kāi)發(fā)了 LTC3815，該器件是一款具數(shù)字系統(tǒng)電源管理的 6A 單片同步降壓型轉(zhuǎn)換器，參見(jiàn)圖 3。這款 PoL 轉(zhuǎn)換器采用一個(gè)可鎖相控制接通時(shí)間的恒定頻率、電流模式架構(gòu)以提供極快的瞬態(tài)響應(yīng)，并允許在所要求非常短的接通時(shí)間工作，以在高開(kāi)關(guān)頻率調(diào)節(jié)低輸出電壓。輸出電壓可用單個(gè)外部電阻設(shè)定在 0.4V 至 75% 的輸入電壓范圍，或者用外部電壓基準(zhǔn)通過(guò)基準(zhǔn)輸入引腳來(lái)設(shè)定。可以通過(guò)標(biāo)準(zhǔn) PMBus 接口以小至 0.1% 的增量對(duì)輸出進(jìn)行上升或下降 25% 的裕度調(diào)節(jié)。

圖 3： LTC3815 應(yīng)用原理圖，2.2V 至 5V 輸入至 0.4V/6A 輸出

LTC3815 的工作頻率可用一個(gè)外部電阻器編程在 400kHz 至 4MHz 范圍，或者針對(duì)開(kāi)關(guān)噪聲敏感應(yīng)用而言，可同步至一個(gè)相同范圍的外部時(shí)鐘。最后，其串行接口還可以用來(lái)回讀故障狀態(tài)以及時(shí)間平均 (~4ms) 及峰值輸入 / 輸出電流、輸入 / 輸出電壓和溫度。

面向 DPSM 產(chǎn)品的 LTpowerPlay 通用 GUI

用 DPSM 產(chǎn)品設(shè)計(jì)的系統(tǒng)有一個(gè)關(guān)鍵優(yōu)勢(shì)，即憑借合適的 GUI 能夠非常容易地與系統(tǒng)內(nèi)每個(gè)單獨(dú)的 PoL 轉(zhuǎn)換器通信。因此，從一開(kāi)始，凌力爾特公司就決定開(kāi)發(fā)一個(gè)能夠作為完整開(kāi)發(fā)平臺(tái)使用的 GUI，且該 GUI 要能夠非常容易地與凌力爾特 DPSM 產(chǎn)品線中提供的不同類(lèi)型的產(chǎn)品一起使用，這就是基于 LTpowerPlay 窗口的開(kāi)發(fā)環(huán)境。這個(gè)軟件不僅使同時(shí)控制和監(jiān)視多個(gè) PMBus 支持的凌力爾特器件非常容易，而且還允許實(shí)時(shí)修改 DC/DC 轉(zhuǎn)換器配置，以及向每個(gè)器件的內(nèi)部 EEPROM 下載系統(tǒng)參數(shù)。這就允許在軟件中調(diào)節(jié)系統(tǒng)配置，而不是求助于久經(jīng)時(shí)間考驗(yàn)的傳統(tǒng)方法來(lái)更換組件和用電烙鐵在電路板上重新連線，因此縮短了設(shè)計(jì)開(kāi)發(fā)時(shí)間。不過(guò)，優(yōu)點(diǎn)并未到此為止。最終系統(tǒng)在諸如數(shù)據(jù)中心等現(xiàn)場(chǎng)中部署完畢后，負(fù)責(zé)人可以利用這個(gè) GUI，通過(guò)合適的接口，簡(jiǎn)便地更新 PoL 轉(zhuǎn)換器的工作參數(shù)，完成對(duì)系統(tǒng)的實(shí)時(shí)調(diào)節(jié)。圖 4 顯示了凌力爾特 LTpowerPlay 狀態(tài)顯示板的一個(gè)典型屏幕截圖，當(dāng)用戶查詢系統(tǒng)時(shí)，會(huì)看到這樣的屏幕顯示內(nèi)容。

這款軟件開(kāi)發(fā)系統(tǒng)支持所有凌力爾特 PMBus 產(chǎn)品，可幫助設(shè)計(jì)師在系統(tǒng)最初開(kāi)發(fā)以及之后安裝在用戶處時(shí)快速調(diào)試系統(tǒng)。該開(kāi)發(fā)系統(tǒng)允許快速和簡(jiǎn)便地監(jiān)視、控制及調(diào)節(jié)電源電壓和各種限定值，并允許快速、簡(jiǎn)便地實(shí)現(xiàn)電源排序。此外，生產(chǎn)裕度測(cè)試也可以簡(jiǎn)便地用幾條標(biāo)準(zhǔn) PMBus 命令執(zhí)行。[!--empirenews.page--]

圖 4：LTpowerPlay GUI 的典型狀態(tài)顯示板屏幕截圖

結(jié)論

數(shù)據(jù)通信、電信或存儲(chǔ)系統(tǒng)如果擁有數(shù)字電源管理功能，就可為系統(tǒng)設(shè)計(jì)師開(kāi)發(fā)“綠色”電源系統(tǒng)提供必要的工具，使這些電源系統(tǒng)能夠在負(fù)載點(diǎn)、電路板、機(jī)架級(jí)甚至安裝后以最低能耗滿足目標(biāo)性能要求 (計(jì)算速率、數(shù)據(jù)傳輸速率等)。這就降低了基礎(chǔ)設(shè)施成本以及產(chǎn)品壽命期內(nèi)的總體擁有成本。雖然采取傳統(tǒng)的烙鐵和重新布線的方法來(lái)調(diào)試硬件系統(tǒng)可能會(huì)得到樂(lè)趣，但是 DPSM 的軟件可編程性卻可顯著地節(jié)省通常與這類(lèi)工作有關(guān)的調(diào)試時(shí)間。