數(shù)字電源和模擬控制環(huán)路實(shí)現(xiàn)高精度電源管理

盡管電源管理對(duì)新式電子系統(tǒng)的可靠運(yùn)行至關(guān)重要，但是在今天以數(shù)字方式管理的系統(tǒng)中，穩(wěn)壓器也許是最后一個(gè)仍然存在的“盲點(diǎn)”.就穩(wěn)壓器而言，很少有辦法直接配置或監(jiān)視關(guān)鍵電源系統(tǒng)運(yùn)行參數(shù)。因此，希望全面實(shí)現(xiàn)數(shù)字控制的電源設(shè)計(jì)師必須使用混雜在一起的排序器、微控制器和電壓監(jiān)察器，以設(shè)定基本的穩(wěn)壓器啟動(dòng)和安全功能。目前已有數(shù)字可編程 DC/DC轉(zhuǎn)換器可用，特別是那些為VRM內(nèi)核電源而設(shè)計(jì)并具備VID輸出電壓控制功能的轉(zhuǎn)換器，但是這類(lèi)有特定應(yīng)用目標(biāo)的轉(zhuǎn)換器不能直接溝通重要的工作參數(shù)，例如實(shí)時(shí)電流。

LTC3880/ LTC3880-1結(jié)合了雙輸出同步降壓型DC/DC控制器和擁有通過(guò)基于I2C的PMBus總線使用全面的電源管理功能，這解決了復(fù)雜的電源系統(tǒng)管理問(wèn)題。PMBus可用來(lái)設(shè)定輸出電壓、電壓裕度、開(kāi)關(guān)頻率、排序以及若干其他工作參數(shù) （參見(jiàn)下面“PMBus控制”部分）。

圖 1,采用外部功率 MOSFET 的雙輸出穩(wěn)壓器。

LTC3880還允許通過(guò)16位數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)監(jiān)視電源，這種方法可提供輸入和輸出電壓及電流、占空比以及溫度的數(shù)字回讀，其中包括重要參數(shù)的峰值。LTC3880還包括通過(guò)中斷標(biāo)志和非易失性存儲(chǔ)器實(shí)現(xiàn)廣泛的故障記錄功能，非易失性存儲(chǔ)器是一種“黑匣子”記錄器，存儲(chǔ)了在故障發(fā)生之前瞬間轉(zhuǎn)換器的工作狀態(tài)。

數(shù)字電源系統(tǒng)管理的一個(gè)主要好處是降低了設(shè)計(jì)費(fèi)用，并加速了產(chǎn)品上市。

LTC3880/LTC3880-1憑借免費(fèi)提供和可下載的LTpowerPlay開(kāi)發(fā)軟件，極大地簡(jiǎn)化了復(fù)雜的多軌系統(tǒng)設(shè)計(jì)，該開(kāi)發(fā)軟件是一種基于PC的全面開(kāi)發(fā)環(huán)境 （參見(jiàn)圖6）。在該環(huán)境中，在線測(cè)試 （ICT） 和電路板調(diào)試僅需要點(diǎn)擊幾下鼠標(biāo)就可完成，而無(wú)需焊接到“白色導(dǎo)線”定位點(diǎn)中。由于可以使用實(shí)時(shí)遙測(cè)數(shù)據(jù)，所以可以立即得到設(shè)計(jì)結(jié)果，從而有可能預(yù)測(cè)電源系統(tǒng)故障，并立即采取預(yù)防性措施。

也許最重要的是，具備數(shù)字管理功能的DC/DC轉(zhuǎn)換器允許設(shè)計(jì)師開(kāi)發(fā)“綠色”電源系統(tǒng)，這類(lèi)系統(tǒng)優(yōu)化了能源利用率，同時(shí)滿足系統(tǒng)性能目標(biāo) （計(jì)算速度、數(shù)據(jù)傳輸速率等）。優(yōu)化可以在負(fù)載點(diǎn)、電路板和機(jī)架上進(jìn)行，甚至可以在安裝階段進(jìn)行，從而降低了基礎(chǔ)設(shè)施成本和產(chǎn)品整個(gè)壽命期內(nèi)的總體擁有成本。

為了提供最佳性能調(diào)節(jié)，LTC3880堅(jiān)持采用精確的基準(zhǔn)和溫度補(bǔ)償模擬電流模式控制環(huán)路，以產(chǎn)生嚴(yán)格的±0.5% DC輸出電壓準(zhǔn)確度。該模擬控制環(huán)路促成了非常容易的補(bǔ)償，環(huán)路經(jīng)過(guò)了校準(zhǔn)，以不受工作條件的影響，該環(huán)路還可實(shí)現(xiàn)逐周期限流，并產(chǎn)生快速和準(zhǔn)確的電壓及負(fù)載瞬態(tài)響應(yīng)，在運(yùn)用數(shù)字控制的產(chǎn)品中沒(méi)有見(jiàn)到與ADC量化有關(guān)的誤差。

LTC3880具備內(nèi)置的穩(wěn)壓器以提高集成度，而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 × 6mm QFN-40封裝，工作節(jié)溫范圍為-40°C~105°C（E 級(jí)版本） 或-40°C~125°C（I 級(jí)版本）。

模擬控制環(huán)路確保同類(lèi)最佳的穩(wěn)壓器性能

LTC3880/ LTC3880-1是數(shù)字可編程以實(shí)現(xiàn)無(wú)數(shù)功能，這包括輸出電壓和電流限制設(shè)定點(diǎn)以及排序?？刂骗h(huán)路盡管是純模擬的，但提供了最佳環(huán)路穩(wěn)定性和瞬態(tài)響應(yīng)，而不會(huì)產(chǎn)生數(shù)字控制環(huán)路的量化效應(yīng)。圖2比較了具備模擬反饋控制環(huán)路的控制器IC與具備數(shù)字反饋控制環(huán)路的控制器IC之斜坡曲線。模擬環(huán)路有平滑的斜坡，而數(shù)字環(huán)路有離散的步進(jìn)，由于量化效應(yīng)，這可能導(dǎo)致穩(wěn)定性問(wèn)題、較慢的瞬態(tài)響應(yīng)、在某些應(yīng)用中需要更大的輸出電容以及在PWM控制信號(hào)上有更大的輸出紋波和抖動(dòng)。

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

實(shí)際上，與具備數(shù)字控制環(huán)路的可比較IC相比，LTC3880的模擬控制環(huán)路需要使用的輸出電容小50%且具有更好的穩(wěn)定性和更短的穩(wěn)定時(shí)間。此外，由于存在ADC分辨率有限引起的量化效應(yīng)，所以數(shù)字控制的瞬態(tài)響應(yīng)在穩(wěn)定之前有震蕩。圖3比較了LTC3880的模擬控制環(huán)路與同類(lèi)IC的數(shù)字控制環(huán)路的瞬態(tài)響應(yīng)。請(qǐng)注意，LTC3880使用約等于數(shù)字控制器一半的輸出電容，但產(chǎn)生了更干凈的結(jié)果。

圖 3,在 15A 瞬態(tài)負(fù)載步進(jìn)情況下，模擬和數(shù)字控制環(huán)路響應(yīng)的比較。模擬控制環(huán)路需要的輸出電容僅為數(shù)字環(huán)路的一半，同時(shí)實(shí)現(xiàn)了卓越得多的穩(wěn)定時(shí)間。

LTC3880設(shè)計(jì)為，當(dāng)修改其配置文件時(shí)，環(huán)路增益不變。當(dāng)修改輸出電壓或電流限制時(shí)，瞬態(tài)響應(yīng)不受影響，而且補(bǔ)償環(huán)路無(wú)需要調(diào)節(jié)。

PMBus控制

LTC3880/ LTC3880-1具備數(shù)字設(shè)定和回讀，以實(shí)時(shí)控制和監(jiān)視關(guān)鍵負(fù)載點(diǎn)轉(zhuǎn)換器的功能。配置可通過(guò)I2C串行接口下載至內(nèi) EEPROM,凌力爾特基于PC的LTpowerPlay開(kāi)發(fā)軟件支持該接口。圖4顯示了具備USB至I2C/SMBus/PMBus適配器連接的LTpowerPlay開(kāi)發(fā)平臺(tái)。配置文件存儲(chǔ)在內(nèi)置的非易失性存儲(chǔ)器中以后，控制器自主加電，而不會(huì)增加主機(jī)負(fù)擔(dān)。配置電路板是一項(xiàng)簡(jiǎn)單的任務(wù)，完全不需要開(kāi)發(fā)固件。

圖 4:用 LTpowerPlay 軟件建立完整的開(kāi)發(fā)平臺(tái)非常容易。

PMBus功能包括可設(shè)置特定的電源管理參數(shù)，包括：

（1）輸出電壓和電壓裕度；

（2）基于電感器溫度的溫度補(bǔ)償電流限制門(mén)限；

（3）開(kāi)關(guān)頻率；

（4）過(guò)壓和欠壓高速監(jiān)察器門(mén)限；

（5）輸出電壓接通/斷開(kāi)時(shí)間延遲；

（6）輸出電壓上升/下降時(shí)間；

（7）輸入電壓接通/斷開(kāi)門(mén)限；

（8）輸出軌接通/斷開(kāi)；

（9）輸出電壓軌高裕度/低裕度；

（10）響應(yīng)內(nèi)部/外部故障；

（11）故障傳播；

此外，PMBus功能允許監(jiān)視電源的運(yùn)行，包括：

（1）輸出/輸入電壓

（2）輸出/輸入電流

（3）內(nèi)部芯片溫度

（4）外部電感器溫度

（5）器件狀態(tài)

（6）故障狀態(tài)

（7）系統(tǒng)狀態(tài)

（8）峰值輸出電流

（9）峰值輸出電壓

（10）峰值內(nèi)部/外部溫度

（11）故障記錄狀態(tài)

組成一個(gè)多軌系統(tǒng)

大型多軌電源電路板一般由一個(gè)隔離式中間總線轉(zhuǎn)換器組成，將來(lái)自背板的48V、24V或其他相對(duì)較高的電壓轉(zhuǎn)換成較低的中間總線電壓 （IBV），一般為12V,該中間總線電壓被分配到PC板卡各處。

單獨(dú)的負(fù)載點(diǎn)（POL） DC-DC轉(zhuǎn)換器將IBV降至所需的軌電壓，軌電壓通常在0.5V~5V范圍，同時(shí)輸出電流范圍為0.5A ~120A.圖5顯示，怎樣用各種不同的凌力爾特控制器和DC/DC 轉(zhuǎn)換器PMBus器件控制一個(gè)多軌系統(tǒng)。負(fù)載點(diǎn)DC/DC轉(zhuǎn)換器可以是自含式模塊、單片器件，或者由DC/DC控制器IC以及有關(guān)的電感器、電容器和MOSFET組成解決方案。這些軌通常對(duì)排序、電壓準(zhǔn)確度、過(guò)流和過(guò)壓限制、裕度調(diào)節(jié)以及監(jiān)察有嚴(yán)格的要求。

圖 5:用來(lái)控制 15 個(gè)或更多軌的 LTpowerPlay 和 PMBus.

電源管理的復(fù)雜性越來(lái)越高。具有超過(guò)30個(gè)軌的電路板并非不常見(jiàn)。這類(lèi)電路板上組件排列已經(jīng)相當(dāng)密集，因此所增加的數(shù)字電源系統(tǒng)管理電路必須占用最少的電路板空間和外部引腳。該系統(tǒng)必須非常容易由用戶或系統(tǒng)主處理器進(jìn)行修改。LTC3880可與凌力爾特其他PMBus 監(jiān)察器、伴隨IC以及凌力爾特穩(wěn)壓器無(wú)縫配合，以實(shí)現(xiàn)復(fù)雜電路板的最佳控制。這些系統(tǒng)在初始配置完成后自主工作，或與主處理器通信，以獲取命令、實(shí)現(xiàn)控制并報(bào)告遙測(cè)數(shù)據(jù)。

凌力爾特PMBus控制器 （如LTC3880） 以及伴隨IC （如LTC2978） 使得為任何數(shù)量的電源設(shè)定加電和斷電排序都非常容易。利用基于時(shí)間的算法，用戶能以任何順序和簡(jiǎn)單的可編程延遲動(dòng)態(tài)地對(duì)軌的接通和斷開(kāi)排序。利用單線SHARE_CLK總線以及一個(gè)或多個(gè)雙向通用IO（/GPIO）引腳，也可以跨多個(gè)芯片排序。這極大地簡(jiǎn)化了系統(tǒng)設(shè)計(jì)，因?yàn)槎鄠€(gè)軌能以任何順序排序。還可以在以后增加額外的PMBus芯片，而不必?fù)?dān)心系統(tǒng)限制，例如連接器引腳數(shù)量有限等。PMBus支持多個(gè)地址，從而在同一條I2C總線上允許連接超過(guò)100個(gè)獨(dú)特的器件。

軌接通的排序可以由響應(yīng)各種條件而觸發(fā)。例如，當(dāng)中間總線電壓超過(guò)所設(shè)定的門(mén)限 （VIN（ON）） 時(shí)，LTC3880和LTC2978可以自動(dòng)排序?；蛘?，軌接通排序可以由響應(yīng)RUN/CONTROL引腳的上升沿而啟動(dòng)。軌接通排序還可以由PMBus命令啟動(dòng)。

凌力爾特PMBus伴隨IC的故障引腳可以共享LTC3880上的/GPIO引腳，以控制軌之間的故障響應(yīng)相關(guān)性。例如，可以對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行配置，以使一個(gè)軌上的故障可以啟動(dòng)任何數(shù)量軌的停機(jī)。如果將故障響應(yīng)配置為“立即斷開(kāi)、不進(jìn)行重試”,而且發(fā)生了一個(gè)故障，那么主處理器就必須采取行動(dòng)，以使這些軌重啟?；蛘?，如果故障響應(yīng)被設(shè)定為“立即斷開(kāi)、無(wú)限重試”,而且發(fā)生了一個(gè)故障，那么斷開(kāi)的軌就嘗試以用戶可編程的延遲和打嗝模式自主加電。故障響應(yīng)還可以設(shè)定為“忽略不計(jì)”,在這種情況下響應(yīng)故障時(shí)，/ALERT引腳被拉低，以提醒主處理器出現(xiàn)了問(wèn)題，但是電源繼續(xù)給負(fù)載供電。/GPIO引腳還可以配置為電源良好狀態(tài)引腳，或配置為快速UV比較器輸出，以實(shí)現(xiàn)基于事件的排序。

LTpowerPlay開(kāi)發(fā)系統(tǒng)

基于PC的LTpowerPlay軟件開(kāi)發(fā)系統(tǒng)全面支持LTC3880的控制功能，這允許設(shè)計(jì)師實(shí)時(shí)修改所有凌力爾特PMBus產(chǎn)品的配置值，而無(wú)需手動(dòng)給電路板更換連接線。圖6顯示了工作中的LTpowerPlay,它控制了多個(gè)器件的多種功能，例如輸出電壓、保護(hù)限制和接通/斷開(kāi)斜坡。其中還顯示了一些波形，包括多個(gè)軌的排序和遙測(cè)圖。引起問(wèn)題的軌用紅色顯示，任何受到影響的軌都用黃色表示，以此指示故障情況。

圖 6:復(fù)雜的多軌電源系統(tǒng)得到了簡(jiǎn)化。LTpowerPlay 使你能隨時(shí)實(shí)現(xiàn)全面的電源控制。

LTpowerPlay是免費(fèi)提供的，可從凌力爾特官方網(wǎng)站上下載。LTpowerPlay可與凌力爾特其他控制器和伴隨IC配合使用，能快速和容易地配置多軌電源系統(tǒng)。

結(jié)論

LTC3880 / LTC3880-1結(jié)合了同類(lèi)最佳的模擬開(kāi)關(guān)穩(wěn)壓器、精確的數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換和靈活的數(shù)字接口，可實(shí)現(xiàn)無(wú)與倫比的高性能。多個(gè)LTC3880可以與凌力爾特其他產(chǎn)品一起使用，以組成優(yōu)化的多軌數(shù)字電源系統(tǒng)。易于使用的LTpowerPlay軟件開(kāi)發(fā)系統(tǒng)支持所有凌力爾特的PMBus產(chǎn)品。

對(duì)模擬電源的數(shù)字控制使設(shè)計(jì)師能讓系統(tǒng)快速進(jìn)入正常工作狀態(tài)，為監(jiān)視、控制和調(diào)節(jié)電源電壓、限制和排序提供了一條非常容易的途徑。使用幾條標(biāo)準(zhǔn)PMBus命令，就可以非常容易地進(jìn)行生產(chǎn)裕度測(cè)試。調(diào)試也得到了簡(jiǎn)化，因?yàn)榭梢酝ㄟ^(guò)該總線傳遞軌狀態(tài)信息。

電源系統(tǒng)數(shù)據(jù)可以發(fā)送回OEM,以提供有關(guān)電源是否正常以及能耗的信息。如果電路板被返回，那么可以讀出故障記錄，以確定發(fā)生了什么故障、電路板溫度和故障時(shí)間以及導(dǎo)致該故障的歷史數(shù)據(jù)。這些數(shù)據(jù)可用來(lái)快速確定故障的根本原因，系統(tǒng)是否工作在規(guī)定的工作限制之外，或用來(lái)改善未來(lái)產(chǎn)品的設(shè)計(jì)。功耗數(shù)據(jù)可用來(lái)實(shí)時(shí)降低總體功耗。

客戶需要越來(lái)越復(fù)雜的電路板，在這一需求的驅(qū)動(dòng)下，數(shù)字電源成為一個(gè)快速增長(zhǎng)的領(lǐng)域。LTC3880和凌力爾特其他PMBus產(chǎn)品一起使用，可為高性能電源提供靈活的數(shù)字控制。電路板設(shè)計(jì)師現(xiàn)在擁有了簡(jiǎn)化流程、快速為市場(chǎng)提供同類(lèi)最佳性能的工具。