一種新型數(shù)字電源系統(tǒng)管理(DPSM)解決方案

假如您考慮到軟件團(tuán)隊相對于其硬件伙伴所擁有的以下優(yōu)勢，那么就可以體會出：電源系統(tǒng)設(shè)計師和數(shù)字 ASIC/FPGA/微處理器電路板設(shè)計人員對于從事軟件工程的同事略感 "羨慕" 或許是合乎情理的。

　　● 電路板硬件設(shè)計需要耗時幾天乃至數(shù)周，相比之下，從編寫軟件代碼到觀察其效果之間的時間延遲要短得多。對產(chǎn)品上市進(jìn)程造成最大限制的是其編碼和測試生產(chǎn)率，而與其他因素關(guān)系不大。

　　● 軟件更新是根據(jù)需要 "推送" 給客戶，用以修補漏洞和改善現(xiàn)場使用性能。硬件更新則必需召回電路板進(jìn)行返工。

　　● 他們可以在舒適的小隔間里通過記錄的數(shù)據(jù)輕松地跟蹤其代碼的性能。性能瓶頸一下子就可以確定，因而能在未來實現(xiàn)快速改進(jìn)。而在另一塊場地上，硬件工程師們則是一連幾天呆在實驗室里，使用電壓計和示波器探頭彎腰駝背地的 "搗鼓" 各種電路板。

　　● 他們編寫一組核心模塊代碼，隨后針對不同的客戶和市場需求進(jìn)行相應(yīng)的修改。定制的硬件則需要變更組件和物料清單 (BOM)，因而冒著設(shè)計產(chǎn)生分歧的風(fēng)險。

　　電源系統(tǒng)設(shè)計師面臨的挑戰(zhàn)日益嚴(yán)峻

　　使問題更加嚴(yán)重的是，隨著納米級處理器 (ASIC、FPGA、微處理器、DSP) 的電源電壓持續(xù)降低至目前的不足 1V，新式數(shù)字電路板的電源系統(tǒng)設(shè)計團(tuán)隊面臨的挑戰(zhàn)就更加嚴(yán)峻。負(fù)載點 (POL) 電源的容限要求日益嚴(yán)格，已接近 2% 至 3%，誤差預(yù)算包括負(fù)載步進(jìn)時的 DC 準(zhǔn)確度、紋波和瞬態(tài)偏移。請注意，0.9V 電源的 3% 僅為 27mV。在電源電壓下降、處理器中塞進(jìn)更多內(nèi)核的同時，電流值卻在上升，甚至超過了 100A。在數(shù)百安培電流流經(jīng)電源及地平面的情況下保持?jǐn)?shù)十毫伏的準(zhǔn)確度是一個嚴(yán)峻的 PDN (配電網(wǎng)絡(luò)) 設(shè)計任務(wù)。與此同時，人們還在盡力提高處理能量的效率，以降低數(shù)據(jù)中心電費和冷卻成本。隨著電路板溫度接近 100oC，服務(wù)器機(jī)箱也變得越來越熱。設(shè)計周期越來越短，但是，視裕度測試結(jié)果的不同而不同，同時為了滿足不同市場及客戶的獨特需求，設(shè)計方案在最后一分鐘仍然需要各種修改。對于有多個電源的電路板，排序一直是一種常見要求，但是這種要求變得越來越復(fù)雜了，因為電源數(shù)量多達(dá) 20 至 50 個，而且跨越了多種功率域。

　　迄今為止的解決方案

　　諸如排序、監(jiān)控、監(jiān)視和裕度調(diào)節(jié)等電源管理任務(wù)一直由一堆雜亂無章的組件完成，包括監(jiān)察器、排序器、ADC、DAC、放大器和微控制器。使這些分立器件協(xié)調(diào)一致地工作占據(jù)了大部分設(shè)計時間。集成型解決方案源于具有用于裕度調(diào)節(jié)、ADC 監(jiān)視和 EEPROM 故障記錄之附加功能的監(jiān)控器和排序器。但是這些器件在修整、裕度調(diào)節(jié)和監(jiān)視方面的電壓準(zhǔn)確度欠佳。另外還有片內(nèi)系統(tǒng) (SoC) 器件，此類器件集成了許多獨立的數(shù)字門和具有 ADC、DAC、比較器及 PWM 輸出的邏輯電路。由于不具備任何的電源管理架構(gòu)，因此即使面對最基本的任務(wù)，這些器件也需要進(jìn)行大量的編程，從而耗費長達(dá)數(shù)月的時間來完成設(shè)計和驗證工作。

　　由于人們竭力推進(jìn)電源系統(tǒng)的數(shù)字化管理，因此產(chǎn)生了各種數(shù)字電源解決方案，這些解決方案的 DC/DC 轉(zhuǎn)換器環(huán)路采用了 ADC、數(shù)字補償器和數(shù)字 PWM。由于這種采樣系統(tǒng)固有的量化，數(shù)字環(huán)路在電源輸出電壓中產(chǎn)生了更大的噪聲和紋波。而且，這類系統(tǒng)往往有較慢的瞬態(tài)響應(yīng)、準(zhǔn)確度欠佳甚至可能出現(xiàn)不規(guī)律、不可預(yù)期的運行表現(xiàn)。而另一方面，模擬環(huán)路速度更快、噪聲更低、更可預(yù)測。管理多個電源時，需要對 POL 電源進(jìn)行數(shù)字化配置以及與其進(jìn)行數(shù)字化通信，但是電源環(huán)路本身依然可以保持是模擬的，這樣就可以同時充分利用模擬和數(shù)字技術(shù)的優(yōu)勢。

　　完整解決方案

　　凌力爾特一直牢記 POL 電源發(fā)展趨勢，已經(jīng)從頭開始設(shè)計了一種完整的數(shù)字電源系統(tǒng)管理 (DPSM) 解決方案。其核心理念就是，電源環(huán)路依然保持是模擬的，同時增加數(shù)字接口和數(shù)字控制。該解決方案如圖 1 所示。這個 DPSM 系列包括多種可互操作的器件，有的有內(nèi)置 DC/DC 轉(zhuǎn)換，有的則沒有，如圖 2 所示。所有這些器件都通過業(yè)界標(biāo)準(zhǔn) PMBus 接口與電路板上的控制器通信。選擇 PMBus 可實現(xiàn)固件重用，有助于節(jié)省設(shè)計時間。對于那些首選自主工作而無需開發(fā)代碼的工程師，凌力爾特還提供工程級開發(fā)軟件 LTpowerPlay，以定制器件配置。

　　圖1：凌力爾特的DPSM架構(gòu)。POL電源仍然保持是模擬的，同時增加了數(shù)字通信及數(shù)字控制。

　　Analog Monitoring and Control：模擬監(jiān)視與控制

　　USB-to-PMBus：USB 至 PMBus

　　Board Controller：電路板控制器

　　LOGIC：邏輯電路

　　圖2：凌力爾特DPSM器件類型，視所控制的電源軌數(shù)量的不同而不同，每一類都提供多款器件。

　　POWER SYSTEM MANAGER：電源系統(tǒng)管理器

　　Any DC/DC Converter or Linear Regulator：任何 DC/DC 轉(zhuǎn)換器或線性穩(wěn)壓器

　　DC/DC CONTROLLER WITH PSM：具 PSM 的 DC/DC 控制器

　　uModule REGULATOR WITH PSM：具 PSM 的 μModule 穩(wěn)壓器

　　Free Download：免費下載

　　TO PMBus CONTROLLER AND OTHER DEVICES：至 PMBus 控制器及其他器件

　　LOAD：負(fù)載　　在這些符合 PMBus 標(biāo)準(zhǔn)的器件中，數(shù)字電源系統(tǒng)管理器是那種圍繞著某一現(xiàn)有模擬電源系統(tǒng)的器件。它們利用一個準(zhǔn)確度為 0.25% 的 16 位 ADC 來測量電源輸出電壓，將其與一個目標(biāo)電壓寄存器進(jìn)行比較，并通過一個反饋至電源之反饋引腳或修整引腳的 10 位電壓 DAC 輸出來調(diào)節(jié)電源。±0.25% 的 DC 準(zhǔn)確度為電源在負(fù)載步進(jìn)時的變化提供了很大的裕度，從而降低了對旁路電容的需求，并節(jié)省了所需電路板面積。微調(diào)伺服環(huán)路連續(xù)監(jiān)視及調(diào)節(jié)電源，防止隨時間和溫度變化出現(xiàn)漂移，這改進(jìn)了電路板的長期可靠性。由于電源電壓可以準(zhǔn)確設(shè)定，所以在現(xiàn)場進(jìn)行電路板裕度測試時，減少了不必要的損失。該微調(diào)功能還能夠微調(diào)電源電壓，以優(yōu)化給定系統(tǒng)負(fù)載的能耗。ADC 提供的電壓、電流和溫度數(shù)據(jù)可用來深入洞察系統(tǒng)性能，這有助于改進(jìn)電路板可靠性、預(yù)測電路板更換時間以及降低功耗。上市時間也可得到改善，因為很多設(shè)計的微調(diào)都是通過更改寄存器配置完成的，而不是讓電路板再次進(jìn)入生產(chǎn)周期。

　　數(shù)字電源系統(tǒng)管理器的另一個強(qiáng)大功能是以黑匣子方式將故障數(shù)據(jù)記錄到內(nèi)部 EEPROM 中。當(dāng)發(fā)生故障時，通過分析存儲在非易失性 EEPROM 存儲器中的最后幾個周期的 ADC 監(jiān)視數(shù)據(jù)，故障分析大大加快了。這類管理器還能用來進(jìn)行遠(yuǎn)程診斷。當(dāng)與更高層次的軟件集成時，還可以從遠(yuǎn)程位置監(jiān)視和診斷電路板的電源系統(tǒng)。類似地，現(xiàn)場升級也可以通過推送固件完成。視器件的不同而不同，電源排序通過時間延遲或級聯(lián)實現(xiàn)；也支持對電源的跟蹤。16 通道數(shù)字電源系統(tǒng)管理器 LTM2987 如圖 3 所示。為了管理 16 個以上的電源，LTM2987 非常容易與其他管理器協(xié)調(diào)工作。

　　圖3：LTM2987：16通道μModule PMBus DPSM以0.25%的準(zhǔn)確度進(jìn)行微調(diào)、裕度調(diào)節(jié)和監(jiān)視

　　數(shù)字電源系統(tǒng)管理器非常適用于具 4 個或更多軌的現(xiàn)有電源系統(tǒng)。當(dāng)需要對電源限流值、開關(guān)頻率和斜坡斜率進(jìn)行數(shù)字控制時，具數(shù)字電源系統(tǒng)管理的DC/DC 控制器更加實用。這類器件具備速度很快的模擬電流模式控制環(huán)路，增加了數(shù)字遙測、配置和控制功能，可實現(xiàn)最佳瞬態(tài)響應(yīng)。在大電流應(yīng)用中，準(zhǔn)確的多相 (PolyPhase) 均流實現(xiàn)了更低的輸入紋波。LTM4676 等微型模塊系統(tǒng)級封裝集成了 N 溝道開關(guān) MOSFET、電感器和電容器，可實現(xiàn)緊湊的 26A 解決方案。參見圖 4。

　　圖4：具DPSM的LTM4676雙輸出13A或單輸出26A μModule穩(wěn)壓器

　　結(jié)論

　　對于運用大量電源軌的新式高性能數(shù)字處理電路板而言，數(shù)字電源系統(tǒng)管理是必備組成部分。市場上大多數(shù)解決方案都是為事后添加到排序器上而設(shè)計的，或者配備了很多需要大量設(shè)定工作的小組件。凌力爾特的 IC 設(shè)計師全面徹底地思考了這一問題，定義了一個可互操作的產(chǎn)品系列，從而提供了一個經(jīng)過完整設(shè)計、完全合格且可面向未來的解決方案，幫助減輕了硬件工程師的設(shè)計負(fù)擔(dān)。