數(shù)字電源系統(tǒng)管理消除了“盲點(diǎn)”

背景
    盡管就新式電子系統(tǒng)的可靠工作而言，電源管理至關(guān)重要，但今天的系統(tǒng)中也許仍然存在最后一個(gè)“盲點(diǎn)”，那就是穩(wěn)壓器，因?yàn)閷?duì)穩(wěn)壓器來說，沒有方法直接配置或監(jiān)視其關(guān)鍵電源系統(tǒng)的工作參數(shù)。因此，電源設(shè)計(jì)師一直被迫使用一堆混雜在一起的排序器、微控制器和電壓監(jiān)察器，以設(shè)定啟動(dòng)、安全等基本的穩(wěn)壓器功能。雖然數(shù)字可編程 DC/DC 轉(zhuǎn)換器投入使用已有多年 (最為顯著的就是在采用 VID 輸出電壓控制的 VRM 內(nèi)核電源)，但是，它們一直缺乏直接從穩(wěn)壓器來監(jiān)視工作狀態(tài)信息 (特別是實(shí)時(shí)電流) 的能力。

數(shù)字電源系統(tǒng)管理能通過計(jì)算機(jī)接口設(shè)定和監(jiān)視各種不同的電源參數(shù)，正在消除這個(gè)“盲點(diǎn)”?？删幊虆?shù)包括輸出電壓、排序、跟蹤、多個(gè)軌的延遲和斜坡、過流限制和過壓限制設(shè)定點(diǎn)以及工作頻率。數(shù)字電源系統(tǒng)管理還能回讀遙測(cè)數(shù)據(jù)并報(bào)告輸入電壓、輸出電壓/電流、溫度甚至故障等。

網(wǎng)絡(luò)設(shè)備的系統(tǒng)設(shè)計(jì)師正被迫提高系統(tǒng)的數(shù)據(jù)吞吐量和性能，也在被迫增加功能。同時(shí)，他們也面臨著降低系統(tǒng)總體功耗的壓力。數(shù)據(jù)中心的挑戰(zhàn)是，重新安排工作流程，將作業(yè)轉(zhuǎn)移到未充分利用的服務(wù)器上，從而允許其他服務(wù)器關(guān)機(jī)，以此降低總體功耗。為了滿足這些需求，知道最終用戶設(shè)備的功耗是至關(guān)重要的。一個(gè)設(shè)計(jì)得當(dāng)?shù)臄?shù)字電源管理系統(tǒng)能為用戶提供功耗數(shù)據(jù)，從而允許智能地做出能源管理決策。

    多軌電路板級(jí)電源系統(tǒng)
    大多數(shù)嵌入式系統(tǒng)都是通過 48V 背板供電的。這個(gè)電壓通常降壓至較低的中間總線電壓 (如 12V)，以給系統(tǒng)內(nèi)機(jī)架的電路板供電。不過，這些電路板上的大多數(shù)子電路或 IC 都要求在低于 1V 至 3.3V 的電壓范圍內(nèi)、以數(shù)十 mA 至數(shù)百 A 的電流工作。因此，需要負(fù)載點(diǎn) (POL) DC/DC 轉(zhuǎn)換器，以從中間總線電壓降壓至子電路或 IC 所需要的電壓。這些軌通常對(duì)排序、電壓準(zhǔn)確度、裕度調(diào)節(jié)和監(jiān)察有嚴(yán)格要求。

在一個(gè)數(shù)據(jù)通信、電信或存儲(chǔ)系統(tǒng)中，有多達(dá) 20 個(gè) POL 電壓軌的情況并非不常見，因此系統(tǒng)設(shè)計(jì)師需要一種簡(jiǎn)單的方法來管理這些軌的輸出電壓、排序和最大可允許電流要求。很多處理器都要求 I/O 電壓先于內(nèi)核電壓上升，而某些 DSP 則要求內(nèi)核電壓先于 I/O 電壓上升。斷電排序也是必要的。因此，設(shè)計(jì)師需要非常容易地進(jìn)行更改，以優(yōu)化系統(tǒng)性能，并需要為每一個(gè) DC/DC 轉(zhuǎn)換器儲(chǔ)存一套特定配置，以簡(jiǎn)化設(shè)計(jì)工作。

為了保護(hù)昂貴的 ASIC 免受可能出現(xiàn)的過壓情況的損害，高速比較器必須監(jiān)視每個(gè)軌的電壓值，而且如果某個(gè)軌超出了規(guī)定的安全工作限制，就立即采取保護(hù)行動(dòng)。在數(shù)字電源系統(tǒng)中，可以通過 PMBus 報(bào)警線通知主機(jī)發(fā)生了故障，而且可以關(guān)斷從屬軌，以保護(hù)受電器件 (如 ASIC)。要實(shí)現(xiàn)這一點(diǎn)，需要合理的準(zhǔn)確度和數(shù)十 us 的響應(yīng)時(shí)間。

凌力爾特最近推出的 LTC3880/-1 提供高度準(zhǔn)確的數(shù)字電源系統(tǒng)管理，具高分辨率可編程性和快速遙測(cè)數(shù)據(jù)回讀，可實(shí)時(shí)控制并監(jiān)視關(guān)鍵的負(fù)載點(diǎn)轉(zhuǎn)換器功能。該器件是一款雙輸出、高效率、同步降壓型 DC/DC 控制器，提供基于 I2C 并具超過 100 條指令的 PMBus 接口和內(nèi)置的 EEPROM。該器件兼有最佳的模擬開關(guān)穩(wěn)壓控制器和精準(zhǔn)混合信號(hào)數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換，可無與倫比地實(shí)現(xiàn)電源系統(tǒng)的易設(shè)計(jì)性和易管理性，并得到了具易用型圖形用戶界面 (GUI) 的 LTpowerPlay 軟件開發(fā)系統(tǒng)的支持。圖 1 顯示了一個(gè)典型的應(yīng)用原理圖。

圖 1：典型的 LTC3880 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，從而最大限度地降低了對(duì)大電流或多輸出應(yīng)用的輸入和輸出濾波要求。內(nèi)置的差分放大器提供真正的遠(yuǎn)端輸出電壓采樣。集成的柵極驅(qū)動(dòng)器在 4.5V 至 24V 的輸入電壓范圍內(nèi)為所有 N 溝道功率 MOSFET 供電。該器件可在整個(gè)工作溫度范圍內(nèi)，以每相高達(dá) 30A 的輸出電流產(chǎn)生高達(dá) 5.5V，而輸出電壓的準(zhǔn)確度為 ±0.50%。涵蓋多個(gè)芯片的準(zhǔn)確定時(shí)和基于事件的排序允許復(fù)雜的多軌系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)加電和斷電優(yōu)化。LTC3880 有一個(gè)內(nèi)置 LDO，為控制器和柵極驅(qū)動(dòng)器供電，而 LTC3880-1 允許使用一個(gè)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 x 6mm QFN-40 封裝。

控制接口用于數(shù)字電源系統(tǒng)管理
    開發(fā) PMBus 指令語(yǔ)言的目的是滿足大型多軌系統(tǒng)的需求，PMBus 是一種開放的標(biāo)準(zhǔn)電源管理協(xié)議，采用全面定義的指令語(yǔ)言，為與電源轉(zhuǎn)換器、電源管理器件和系統(tǒng)主處理器通信提供了方便。除了一套定義完備的標(biāo)準(zhǔn)指令，PMBus 兼容設(shè)備還可以采用自己的專門指令，以為設(shè)定和監(jiān)視 POL DC/DC 轉(zhuǎn)換器提供創(chuàng)新性方法。該協(xié)議通過業(yè)界標(biāo)準(zhǔn) SMBus 串行接口實(shí)現(xiàn)，可設(shè)定、控制和實(shí)時(shí)監(jiān)視電源轉(zhuǎn)換產(chǎn)品。指令語(yǔ)言和數(shù)據(jù)格式標(biāo)準(zhǔn)化允許非常容易地開發(fā)固件，從而加速了產(chǎn)品上市。如需更多信息，請(qǐng)?jiān)L問：http://pmbus.org。

LTC3880/-1 的可編程控制參數(shù)包括輸出電壓、裕度調(diào)節(jié)、電流限制、輸入和輸出監(jiān)察限制、上電排序和跟蹤、開關(guān)頻率、以及識(shí)別和可跟蹤性數(shù)據(jù)。內(nèi)置的精準(zhǔn)數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換器和 EEPROM 允許收集穩(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)定值和變量值進(jìn)行非易失性存儲(chǔ)。下表 1 顯示了一些可用 LTC3880/-1 設(shè)定的參數(shù)、該器件的高分辨率遙測(cè)回讀能力、以及同類可替代解決方案的分辨率和準(zhǔn)確度。

表 1：LTC3880/-1 的一些可編程參數(shù)以及遙測(cè)回讀能力和準(zhǔn)確度

LTC3880/-1 的配置非常容易通過該器件的 I²C 串行接口保存到內(nèi)部 EEPROM 中。由于配置存儲(chǔ)在芯片中，所以該控制器可以自主上電，而無需增加主處理器的負(fù)擔(dān)。輸出電壓、開關(guān)頻率、相位和器件地址的缺省設(shè)定值可選擇通過外部電阻器分壓器配置。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 是一種數(shù)字可編程控制器，可實(shí)現(xiàn)很多種功能，如控制輸出電壓、電流限制設(shè)定點(diǎn)和排序，等等，該器件還有一個(gè)模擬反饋控制環(huán)路，以實(shí)現(xiàn)最佳環(huán)路穩(wěn)定性和瞬態(tài)響應(yīng)，且不會(huì)產(chǎn)生數(shù)字控制環(huán)路那樣的量化效應(yīng)。
 
    圖 2 顯示了一個(gè)控制器 IC 的不同斜坡曲線，該 IC具模擬反饋控制環(huán)路 (LTC3880) 和數(shù)字反饋控制環(huán)路。模擬環(huán)路有一個(gè)平滑的斜坡，而數(shù)字環(huán)路像一個(gè)階躍函數(shù)，可能導(dǎo)致以下問題：穩(wěn)定性、較慢的瞬態(tài)響應(yīng)、在有些應(yīng)用中需要較大的輸出電容以及引起較大輸出紋波的數(shù)字環(huán)路量化效應(yīng)。

圖 2：LTC3880 的模擬控制環(huán)路和數(shù)字控制環(huán)路

此外，與可替代的數(shù)字控制環(huán)路相比，LTC3880 所需輸出電容量可降低多達(dá) 50%，并具有更短的穩(wěn)定時(shí)間和更高的穩(wěn)定性。此外，由于量化效應(yīng)及 ADC 分辨率的限制，數(shù)字控制的瞬態(tài)響應(yīng)在穩(wěn)定之前有振蕩。圖 3 顯示了模擬控制環(huán)路與數(shù)字控制環(huán)路的瞬態(tài)響應(yīng)比較。

圖 3：在采用 25A 負(fù)載階躍、以 400kHz 工作的 12VIN 至 1.2VOUT DC/DC 轉(zhuǎn)換器時(shí)，
LTC3880 模擬環(huán)路與數(shù)字控制環(huán)路的瞬態(tài)響應(yīng)比較。

此外，由于 ADC、數(shù)字補(bǔ)償器和數(shù)字 PWM 的存在，因此視 ADC 分辨率和環(huán)路設(shè)計(jì)的不同而不同，數(shù)字控制環(huán)路的量化效應(yīng)額外增大了輸出紋波的電壓。對(duì)比之下，模擬控制環(huán)路沒有這種額外增加的輸出紋波電壓。

結(jié)論
    數(shù)字電源系統(tǒng)管理的主要優(yōu)點(diǎn)之一是設(shè)計(jì)成本的降低以及產(chǎn)品面市進(jìn)程的加快。采用一種具有直觀圖形用戶界面 (GUI) 的綜合開發(fā)環(huán)境，即可以高效地開發(fā)復(fù)雜的多電壓軌系統(tǒng)。另外，此類系統(tǒng)還可利用 GUI (而不是焊接裝配) 來進(jìn)行相關(guān)的調(diào)整，從而簡(jiǎn)化了在線測(cè)試 (ICT) 和電路板調(diào)試工作。

另一個(gè)益處是，由于有實(shí)時(shí)遙測(cè)數(shù)據(jù)可用，因此有可能預(yù)測(cè)電源系統(tǒng)的故障，并采取預(yù)防性措施。也許最重要的是，具數(shù)字管理功能的 DC/DC 轉(zhuǎn)換器允許設(shè)計(jì)師開發(fā)“綠色”電源系統(tǒng)，這類系統(tǒng)可重新安排工作流程，將作業(yè)轉(zhuǎn)移到未充分利用的服務(wù)器上，從而允許其他服務(wù)器關(guān)機(jī)，因此這類系統(tǒng)能決定何時(shí)降低總體功耗，以滿足目標(biāo)性能要求。數(shù)字電源系統(tǒng)管理可最大限度地降低負(fù)載點(diǎn)、電路板、機(jī)架甚至安裝時(shí)的能源消耗，從而降低了基礎(chǔ)設(shè)施成本和產(chǎn)品整個(gè)壽命期的總體成本。