數字電源系統管理降低了數據中心的功耗

　　背景

　　好幾年以來(lái)，許多公司都對數字電源進(jìn)行了大肆的宣傳，有的公司認為：數字電源包括數字功能和一個(gè)帶電源的通信鏈路。另有一些公司則表示：數字電源是一種具有一顆采用數字脈寬調制 (PWM) 內置芯片的狀態(tài)機。還有一些廠(chǎng)家指出：數字電源包括一個(gè)運行某種算法 (該算法用于補償控制環(huán)路) 的通用型數字信號處理器 (DSP)，而且僅僅依靠一根串行總線(xiàn)并不能提供數字電源解決方案。甚至有其他公司認為：數字電源具有一個(gè)帶狀態(tài)機或 DSP 的數字 PWM 環(huán)路。所有這些描述都可以說(shuō)是令人大惑不解、無(wú)所適從，而且部分此類(lèi)方法并不能產(chǎn)生優(yōu)良的性能。但是，在數字電源設計正確的情況下，它就能夠降低數據中心的功耗、縮短產(chǎn)品的面市時(shí)間、擁有卓越的穩定性和瞬態(tài)響應性能、并提高總體系統的可靠性 (比如在網(wǎng)絡(luò )設備中)。

　　網(wǎng)絡(luò )設備的系統設計師正面臨著(zhù)提升其系統的數據吞吐量和性能并增加功能及特點(diǎn)的壓力。與此同時(shí)，如何減少系統的總功耗也是其必需應對的難題。在數據中心里，人們所面對的挑戰是需要通過(guò)重新編排工作流程并將某些任務(wù)轉移至那些工作量不足的服務(wù)器 (從而可將其他的服務(wù)器關(guān)斷) 來(lái)降低總功耗。為了滿(mǎn)足這些需求，了解終端用戶(hù)設備的功耗是非常重要的。正確設計的數字電源管理系統能夠為用戶(hù)提供功耗數據，這樣就可以做出靈活的能量管理決策。

　　在當今的新式電子系統中，穩壓器的狀態(tài)或許是所剩的最后一個(gè)“盲點(diǎn)”，因為一般情況下它們不具備對關(guān)鍵的操作參數進(jìn)行直接配置或遠程監視的方法。對于可靠運作而言，檢測穩壓器輸出電壓的時(shí)間漂移或過(guò)熱狀況并據此采取相應的行動(dòng)可以說(shuō)是至關(guān)緊要的。設計精良的數字電源系統管理 (DPSM) 方案能夠監視穩壓器的性能并匯報其運行狀況，以在其超出規格范圍甚至發(fā)生故障之前采取糾正措施。

　　如欲把 DPSM 用于穩壓器和電源設計，則要求工程師仔細查看一條學(xué)習曲線(xiàn)，以了解怎樣通過(guò)計算機上的圖形用戶(hù)界面 (GUI) 來(lái)完成此類(lèi)器件的編程和連接。這包括學(xué)習新的程序設計軟件，而且每家提供數字電源器件的公司都有其獨特的軟件包。因此，應選擇一家擁有經(jīng)過(guò)縝密思考和用戶(hù)友好型軟件包及 GUI 的公司，這一點(diǎn)很重要。此外，他們還應擁有一支信譽(yù)卓著(zhù)的技術(shù)支持員工隊伍，這支隊伍具備在此類(lèi)電源的設計過(guò)程中為客戶(hù)提供幫助所需的各種能力。

　　多軌板級電源系統

　　大多數嵌入式系統均通過(guò)一塊 48V 背板來(lái)供電。一般將該電壓降壓至一個(gè)較低的中間總線(xiàn)電壓 (通常為 12V 至 3.3V)，以為系統內部的電路板支架供電。然而，這些電路板上的子電路或 IC 需要在低于 1V 至 3.3V 的電壓范圍以及數十 mA 至數百 A 的電流范圍內運作。因此，為了將中間總線(xiàn)電壓降壓至子電路或 IC 所需的期望電壓，負載點(diǎn) (POL) DC/DC 轉換器是必不可少的。這些電源軌具有嚴格的排序、電壓準確度、裕度調節和監控要求。

　　在數據通信、電信或存儲系統中有可能存在多達 20 個(gè) POL 電壓軌，系統設計師需要一種按照其輸出電壓、排序和最大可容許電流來(lái)管理這些電壓軌的簡(jiǎn)單方法。某些處理器要求其 I/O 電壓在其內核電壓之前上升，而有些 DSP 則要求其內核電壓先于其 I/O 電壓上升。斷電排序也是不可或缺的。設計人員需要一種簡(jiǎn)便易行的調整方法以?xún)?yōu)化系統性能并存儲用于每個(gè) DC/DC 轉換器的特定配置，從而達到簡(jiǎn)化設計工作的目的。

　　為了避免昂貴 ASIC 遭受過(guò)壓情況的可能性，高速比較器必須監視每個(gè)電源軌的電壓，并在某個(gè)電源軌超出其規定的安全操作限值范圍時(shí)立即采取保護措施。在數字電源系統中，可以在發(fā)生故障時(shí)通過(guò) PMBus 報警線(xiàn)路通知主機，并可將有關(guān)的電源軌關(guān)斷以對諸如 ASIC 等受電器件實(shí)施保護。實(shí)現這種保護水平需要比較好的準確度以及大約數十 μs 的響應時(shí)間。

　　凌力爾特公司近期推出的 LTC®3880/-1 提供了高度準確的數字電源系統管理，并利用其高分辨率可編程性及快速遙測回讀實(shí)現了實(shí)時(shí)控制以及關(guān)鍵負載點(diǎn)轉換器功能的監視。該器件是一款雙通道輸出、高效率同步降壓型 DC/DC 控制器，具有基于 I2C 的 PMBus 接口以及 100 多條命令和板載 EEPROM。LTC3880/-1 兼有同類(lèi)最佳的模擬開(kāi)關(guān)穩壓控制器性能和精準混合信號數據轉換，可極其方便地實(shí)現電源系統的設計和管理，該器件得到了具有易用型圖形用戶(hù)界面 (GUI) 的 LTpowerPlayTM 軟件開(kāi)發(fā)系統支持。圖 1 示出了典型的 LTC3880 應用原理圖。

　　圖 1：具有兩個(gè)大電流輸出的應用原理圖 (采用 LTC3880)

　　LTC3880/-1 可調節兩個(gè)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(gè) IC 之間實(shí)現準確的均流，從而最大限度地為大電流或多輸出應用降低輸入和輸出濾波要求。一個(gè)板載差分放大器提供了真正的遠端輸出電壓采樣。集成型柵極驅動(dòng)器可從范圍為 4.5V 至 24V 的輸入電壓來(lái)驅動(dòng)全 N 溝道功率 MOSFET，而且在整個(gè)工作溫度范圍內，在輸出電流高達每相 30A 時(shí)，該器件可產(chǎn)生準確度為 ±0.50% 并高達 5.5V 的輸出電壓。LTC3880/-1 還可與電源模組和 DRMOS 器件一起使用?？缍鄠€(gè)芯片的準確定時(shí)和基于事件的排序允許優(yōu)化復雜和多軌系統的上電和斷電。LTC3880 具有一個(gè)用于控制器和柵極驅動(dòng)電源的內置 LDO，而 LTC3880-1 則允許用外部偏置電壓實(shí)現最高效率。這兩款器件都采用耐熱性能增強型 6mm x 6mm QFN-40 封裝。

　　用于數字電源系統管理的控制接口

　　PMBus 命令語(yǔ)言專(zhuān)為滿(mǎn)足大型多軌系統的需要而開(kāi)發(fā)，是一種采用完全定義的命令語(yǔ)言的開(kāi)放標準電源管理協(xié)議，可簡(jiǎn)化與功率轉換器、電源管理器件及系統主處理器的通信。除了一組精確定義的標準命令之外，符合 PMBus 標準的器件還能夠執行其特有的專(zhuān)用命令，以提供一種對 POL DC/DC 轉換器進(jìn)行編程和監視的創(chuàng )新型方法。該協(xié)議通過(guò)業(yè)界標準的 SMBus 串行接口來(lái)執行，并實(shí)現了功率轉換產(chǎn)品的編程、控制和實(shí)時(shí)監視。命令語(yǔ)言和數據格式標準化可實(shí)現簡(jiǎn)易的固件開(kāi)發(fā)，從而加快了產(chǎn)品的面市進(jìn)程。如需了解更多信息，請登錄 http://pmbus.org 網(wǎng)站查詢(xún)。

　　LTC3880/-1 可編程控制參數包括輸出電壓、裕度調節、電流限值、輸入和輸出監控限值、上電排序和跟蹤、開(kāi)關(guān)頻率、識別及可追溯性數據。片內精準數據轉換器和 EEPROM 允許收集穩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進(jìn)行非易失性存儲。下面的表 1 羅列了可采用 LTC3880/-1 進(jìn)行編程的一些參數、其高分辨率、遙測回讀能力和替代解決方案。

　　表 1：某些 LTC3880/-1 可編程參數以及遙測回讀能力和準確度

　　LTC3880/-1 的配置可以很容易地通過(guò)器件的 I2C 串行接口保存到內部EEPROM 中。由于配置存儲在芯片上，所以該控制器可以自主上電，而不會(huì )增加主處理器的負擔。輸出電壓、開(kāi)關(guān)頻率、相位和器件地址的缺省設置可以選擇通過(guò)外部電阻分壓器進(jìn)行配置。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(gè)硬件設計。

　　模擬控制環(huán)路

　　LTC3880/-1 是一款適合眾多功能 (例如：輸出電壓、電流限制設定點(diǎn)和排序等等) 的數字式可編程 DC/DC 控制器，但它具有一個(gè)旨在實(shí)現最佳環(huán)路穩定性和瞬態(tài)響應的模擬反饋控制環(huán)路，而沒(méi)有數字控制環(huán)路的量化效應。

　　圖 2 示出了采用模擬反饋控制環(huán)路和數字反饋控制環(huán)路時(shí)，控制器 IC 內部不同的斜坡曲線(xiàn)。模擬環(huán)路具有一個(gè)平滑的斜坡，而數字環(huán)路則類(lèi)似于一個(gè)階躍函數 ━━ 這會(huì )引起穩定性問(wèn)題、減緩瞬態(tài)響應速度、并在某些應用中導致需要增加輸出電容，而且，數字環(huán)路的量化效應將造成輸出紋波增大。

　　圖 2：LTC3880 的模擬控制環(huán)路與數字控制環(huán)路的比較

　　LTC3880 的模擬控制環(huán)路的優(yōu)點(diǎn)之一是它能夠采用比數字控制環(huán)路替代方案小 50% 的輸出電容，而且穩定性更佳 (實(shí)現穩定所需的時(shí)間較短)。此外，數字控制瞬態(tài)響應在穩定之前還會(huì )出現振蕩，這是由于量化效應及其 ADC 分辨率的局限性所造成的。圖 3 示出模擬控制環(huán)路與數字控制環(huán)路的瞬態(tài)響應之比較。

　　圖 3：25A 階躍時(shí)模擬控制環(huán)路與數字控制環(huán)路的瞬態(tài)響應比較 (對于一個(gè)工作頻率為 400kHz 的 12VIN 至 1.2VOUT DC/DC 轉換器)

　　此外，因 ADC、數字補償器和數字 PWM 而產(chǎn)生的數字控制環(huán)路量化效應還將給輸出紋波增加額外的電壓 (取決于 ADC 的分辨率和環(huán)路設計)。與此相反，模擬控制環(huán)路則不存在這種額外的輸出紋波電壓。

　　編程 LTpowerPlay 軟件和 GUI

　　LTC3880得到了具有易用型圖形用戶(hù)界面 (GUI) 的 LTpowerPlay 軟件開(kāi)發(fā)系統的支持。圖 4 中給出的 GUI 截屏圖示出了多項功能的控制方法，例如：輸出電壓、保護限值、接通/關(guān)斷斜坡以及少量的波形 (包括多個(gè)電源軌的排序及遙測曲線(xiàn))。這款強大的 GUI 軟件可從凌力爾特公司的網(wǎng)站免費下載，并能與其他的凌力爾特轉換器和監控器件配合工作，以輕松快捷地開(kāi)發(fā)多電壓軌系統。

　　圖 4：LTpowerPlay 的 GUI 截屏圖

　　結論

　　數字電源的主要優(yōu)點(diǎn)之一是具備預知電源系統故障并啟動(dòng)保護性措施的潛力，這得益于實(shí)時(shí)遙測數據的提供。也許最重要的一點(diǎn)是：具有數字管理功能的 DC/DC 轉換器將使得設計人員能夠開(kāi)發(fā)出“綠色”電源系統，此類(lèi)電源系統可滿(mǎn)足目標性能、且能夠通過(guò)重新編排工作流程并將某些任務(wù)轉移至那些工作量不足的服務(wù)器 (從而可將其他的服務(wù)器關(guān)斷) 來(lái)確定何時(shí)降低總功耗。由于在負載點(diǎn)、電路板、支架、甚至安裝級上的能源使用量極少，因而有助于降低基礎設施成本以及產(chǎn)品生命周期中的總擁有成本。

　　數字電源系統管理的另一個(gè)優(yōu)點(diǎn)是能夠減低設計成本和加快產(chǎn)品的上市速度。通過(guò)采用一種具直觀(guān)的 GUI 集成開(kāi)發(fā)環(huán)境，可以高效地開(kāi)發(fā)復雜的多軌系統。此類(lèi)系統還通過(guò)利用 GUI (而不是焊接裝配) 進(jìn)行調整而簡(jiǎn)化了在線(xiàn)測試 (ICT) 和電路板調試。

　　關(guān)于數字電源的定義及其優(yōu)點(diǎn)，如今的情況變得讓人迷惑不解。因此，數字電源的潛在用戶(hù)有必要就其希望實(shí)現的目標以及數字電源系統管理的優(yōu)點(diǎn)是否適合其產(chǎn)品和客戶(hù)而做好調查。他們必需確定自己所選擇的公司擁有高性能的模擬器件、廣受歡迎且易于使用的軟件包、以及一支受過(guò)良好教育、愿意為客戶(hù)提供所需幫助的技術(shù)支持隊伍。幸運的是，這樣的公司是存在的。