數(shù)字電源系統(tǒng)管理消除了“盲點”

背景
    盡管就新式電子系統(tǒng)的可靠工作而言，電源管理至關重要，但今天的系統(tǒng)中也許仍然存在最后一個“盲點”，那就是穩(wěn)壓器，因為對穩(wěn)壓器來說，沒有方法直接配置或監(jiān)視其關鍵電源系統(tǒng)的工作參數(shù)。因此，電源設計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，以設定啟動、安全等基本的穩(wěn)壓器功能。雖然數(shù)字可編程 DC/DC 轉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 (特別是實時電流) 的能力。

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

網(wǎng)絡設備的系統(tǒng)設計師正被迫提高系統(tǒng)的數(shù)據(jù)吞吐量和性能，也在被迫增加功能。同時，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)轉移到未充分利用的服務器上，從而允許其他服務器關機，以此降低總體功耗。為了滿足這些需求，知道最終用戶設備的功耗是至關重要的。一個設計得當?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。這個電壓通常降壓至較低的中間總線電壓 (如 12V)，以給系統(tǒng)內機架的電路板供電。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、以數(shù)十 mA 至數(shù)百 A 的電流工作。因此，需要負載點 (POL) DC/DC 轉換器，以從中間總線電壓降壓至子電路或 IC 所需要的電壓。這些軌通常對排序、電壓準確度、裕度調節(jié)和監(jiān)察有嚴格要求。

在一個數(shù)據(jù)通信、電信或存儲系統(tǒng)中，有多達 20 個 POL 電壓軌的情況并非不常見，因此系統(tǒng)設計師需要一種簡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 電壓先于內核電壓上升，而某些 DSP 則要求內核電壓先于 I/O 電壓上升。斷電排序也是必要的。因此，設計師需要非常容易地進行更改，以優(yōu)化系統(tǒng)性能，并需要為每一個 DC/DC 轉換器儲存一套特定配置，以簡化設計工作。

為了保護昂貴的 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)視每個軌的電壓值，而且如果某個軌超出了規(guī)定的安全工作限制，就立即采取保護行動。在數(shù)字電源系統(tǒng)中，可以通過 PMBus 報警線通知主機發(fā)生了故障，而且可以關斷從屬軌，以保護受電器件 (如 ASIC)。要實現(xiàn)這一點，需要合理的準確度和數(shù)十 us 的響應時間。

凌力爾特最近推出的 LTC3880/-1 提供高度準確的數(shù)字電源系統(tǒng)管理，具高分辨率可編程性和快速遙測數(shù)據(jù)回讀，可實時控制并監(jiān)視關鍵的負載點轉換器功能。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 接口和內置的 EEPROM。該器件兼有最佳的模擬開關穩(wěn)壓控制器和精準混合信號數(shù)據(jù)轉換，可無與倫比地實現(xiàn)電源系統(tǒng)的易設計性和易管理性，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 顯示了一個典型的應用原理圖。

圖 1：典型的 LTC3880 應用原理圖

LTC3880/-1 可調節(jié)兩個獨立的輸出，或配置為兩相單輸出。多達 6 相可以交錯和并聯(lián)，以在多個 IC 之間實現(xiàn)準確的均流，從而最大限度地降低了對大電流或多輸出應用的輸入和輸出濾波要求。內置的差分放大器提供真正的遠端輸出電壓采樣。集成的柵極驅動器在 4.5V 至 24V 的輸入電壓范圍內為所有 N 溝道功率 MOSFET 供電。該器件可在整個工作溫度范圍內，以每相高達 30A 的輸出電流產(chǎn)生高達 5.5V，而輸出電壓的準確度為 ±0.50%。涵蓋多個芯片的準確定時和基于事件的排序允許復雜的多軌系統(tǒng)實現(xiàn)加電和斷電優(yōu)化。LTC3880 有一個內置 LDO，為控制器和柵極驅動器供電，而 LTC3880-1 允許使用一個外部偏置電壓，以實現(xiàn)最高效率。這兩款器件都采用耐熱增強型 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 是一種開放的標準電源管理協(xié)議，采用全面定義的指令語言，為與電源轉換器、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準指令，PMBus 兼容設備還可以采用自己的專門指令，以為設定和監(jiān)視 POL DC/DC 轉換器提供創(chuàng)新性方法。該協(xié)議通過業(yè)界標準 SMBus 串行接口實現(xiàn)，可設定、控制和實時監(jiān)視電源轉換產(chǎn)品。指令語言和數(shù)據(jù)格式標準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，請訪問：http://pmbus.org。

LTC3880/-1 的可編程控制參數(shù)包括輸出電壓、裕度調節(jié)、電流限制、輸入和輸出監(jiān)察限制、上電排序和跟蹤、開關頻率、以及識別和可跟蹤性數(shù)據(jù)。內置的精準數(shù)據(jù)轉換器和 EEPROM 允許收集穩(wěn)壓器配置設定值和遙測變量值，包括輸入和輸出電壓及電流、占空比、溫度以及故障記錄，并對這些設定值和變量值進行非易失性存儲。下表 1 顯示了一些可用 LTC3880/-1 設定的參數(shù)、該器件的高分辨率遙測回讀能力、以及同類可替代解決方案的分辨率和準確度。

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

LTC3880/-1 的配置非常容易通過該器件的 I²C 串行接口保存到內部 EEPROM 中。由于配置存儲在芯片中，所以該控制器可以自主上電，而無需增加主處理器的負擔。輸出電壓、開關頻率、相位和器件地址的缺省設定值可選擇通過外部電阻器分壓器配置。多種設計可以非常容易地在固件中校準和配置，以為一系列應用優(yōu)化單個硬件設計。

模擬控制環(huán)路
    LTC3880/-1 是一種數(shù)字可編程控制器，可實現(xiàn)很多種功能，如控制輸出電壓、電流限制設定點和排序，等等，該器件還有一個模擬反饋控制環(huán)路，以實現(xiàn)最佳環(huán)路穩(wěn)定性和瞬態(tài)響應，且不會產(chǎn)生數(shù)字控制環(huán)路那樣的量化效應。
 
    圖 2 顯示了一個控制器 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)路有一個平滑的斜坡，而數(shù)字環(huán)路像一個階躍函數(shù)，可能導致以下問題：穩(wěn)定性、較慢的瞬態(tài)響應、在有些應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。

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 50%，并具有更短的穩(wěn)定時間和更高的穩(wěn)定性。此外，由于量化效應及 ADC 分辨率的限制，數(shù)字控制的瞬態(tài)響應在穩(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)響應比較。

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

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

結論
    數(shù)字電源系統(tǒng)管理的主要優(yōu)點之一是設計成本的降低以及產(chǎn)品面市進程的加快。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) 來進行相關的調整，從而簡化了在線測試 (ICT) 和電路板調試工作。

另一個益處是，由于有實時遙測數(shù)據(jù)可用，因此有可能預測電源系統(tǒng)的故障，并采取預防性措施。也許最重要的是，具數(shù)字管理功能的 DC/DC 轉換器允許設計師開發(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)轉移到未充分利用的服務器上，從而允許其他服務器關機，因此這類系統(tǒng)能決定何時降低總體功耗，以滿足目標性能要求。數(shù)字電源系統(tǒng)管理可最大限度地降低負載點、電路板、機架甚至安裝時的能源消耗，從而降低了基礎設施成本和產(chǎn)品整個壽命期的總體成本。