系統設計師的數字電源

　　引言

　　有經(jīng)驗的數字電源用戶(hù)一般都充分意識到數字電源系統管理的好處。不過(guò)，就那些正在考慮數字電源對他們的產(chǎn)品是否有意義的用戶(hù)而言，數字電源系統管理的好處就不那么明顯了。他們經(jīng)常問(wèn)到的問(wèn)題包括：

　　我們的客戶(hù)會(huì )看重數字電源嗎?

　　這種技術(shù)將會(huì )打開(kāi)新市場(chǎng)嗎?

　　如果我們不在我們的產(chǎn)品中采用數字電源，我們會(huì )落后嗎?

　　采用數字電源有多難?

　　學(xué)習曲線(xiàn)有多長(cháng)?

　　如果采用數字電源，我們的產(chǎn)品上市時(shí)間會(huì )延長(cháng)嗎?

　　有什么額外的代價(jià)?

　　我們需要了解這些問(wèn)題的答案，以幫助決定在最終應用中，數字電源是否是一個(gè)好的選擇。

　　數字電源在什么情況下有意義

　　用簡(jiǎn)單的 PC 連接對模擬電源進(jìn)行數字控制在開(kāi)發(fā)階段尤其有用，在這一階段，設計師需要讓系統快速進(jìn)入正常運行狀態(tài)。有可能有超過(guò) 20 個(gè) POL 電壓軌，而且用戶(hù)需要能非常容易地調節電源電壓、從低到高/從高到低給電源排序、設定工作電壓限制以及讀取電壓、電流或溫度等參數，還需要通過(guò)數字接口訪(fǎng)問(wèn)詳細的故障記錄。在這類(lèi)系統中，要保持對電壓軌的嚴格控制并實(shí)現最高性能，高準確度極其重要。

　　在今天的新式電子系統中，了解穩壓器的環(huán)境條件和工作狀態(tài)也許是仍然存在的最后一個(gè)“盲點(diǎn)”，因為通常沒(méi)有辦法直接配置或遠程監視關(guān)鍵工作參數。檢測穩壓器輸出電壓隨時(shí)間推移或溫度變化而產(chǎn)生的漂移，并據此在可能的故障事件出現之前采取行動(dòng)，對于可靠工作是至關(guān)重要的。一個(gè)設計良好的數字電源系統可以監視穩壓器的性能，并報告穩壓器的狀態(tài)，以便在穩壓器超過(guò)性能規范甚至出現故障之前能采取糾正行動(dòng)。

　　在數據中心中，一個(gè)關(guān)鍵的挑戰是，通過(guò)重新調整工作流程，并將作業(yè)轉移到未充分利用的服務(wù)器上以使其他服務(wù)器能停機來(lái)降低總體功耗。為了滿(mǎn)足這些要求，知道最終用戶(hù)設備的功耗非常重要。一個(gè)恰當設計的數字電源管理系統可以向用戶(hù)提供功耗數據，從而有助于做出明智的能量管理決策。

　　為了防止昂貴的 ASIC 可能被過(guò)壓狀態(tài)損壞，高速比較器必須監視每個(gè)軌的電壓值，并在某個(gè)軌超出其規定的安全工作限制時(shí)，立即采取保護性措施。在數字電源系統中，當故障發(fā)生時(shí)，可以通過(guò) PMBus 報警線(xiàn)通知主機，而且從屬軌可以停機，以保護 ASIC 等受電器件。實(shí)現這種級別的保護，需要卓越的準確度和數十微秒的響應時(shí)間。

　　之所以采用數字電源管理，是因為它能提供有關(guān)電源系統的準確信息，而且它能非常容易地自主控制和監察很多電壓。電路板設計師不必寫(xiě)單條代碼線(xiàn)，除非他們想讓主處理器讀取遙測數據和進(jìn)行簡(jiǎn)單的故障干預。顯然，制造商需要提供新用戶(hù)以及有經(jīng)驗的用戶(hù)非常容易采用、定制和以特定專(zhuān)門(mén)市場(chǎng)為目標的經(jīng)濟實(shí)惠器件。凌力爾特提供幾種數字電源產(chǎn)品，LTC3880/-1 是最近推出的這類(lèi)產(chǎn)品之一。

　　關(guān)于 LTC3880

　　LTC3880 和 LTC3880-1 是具 I2C PMBus 接口的雙輸出高效率同步降壓型 DC/DC 控制器，適用于數字電源系統管理。這些器件兼有最佳模擬開(kāi)關(guān)穩壓器性能和精確的混合信號數據轉換，可減輕電源系統設計和管理負擔，得到了具易用圖形用戶(hù)界面 (GUI) 的 LTpowerPlay 軟件開(kāi)發(fā)系統的支持。

　　LTC3880/-1 允許對關(guān)鍵負載點(diǎn)轉換器功能的實(shí)時(shí)控制和監視進(jìn)行數字設定和回讀?？删幊炭刂茀蛋ㄝ敵鲭妷?、裕度控制和電流限制、輸入和輸出監察限制、加電排序和跟蹤、開(kāi)關(guān)頻率以及識別和可跟蹤性數據。片上內置的精確數據轉換器和 EEPROM 允許捕獲穩壓器的配置設置和遙測變量，包括輸入和輸出電壓及電流、占空比、溫度和故障記錄，并對這些數據進(jìn)行非易失性存儲。LTC3880/-1 有一個(gè)模擬控制環(huán)路，以實(shí)現最佳環(huán)路穩定性和最快的瞬態(tài)響應，因而沒(méi)有在較慢的數字控制環(huán)路中常見(jiàn)的量化效應。該器件能提供兩個(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，從而就大電流和 / 或多個(gè)輸出應用而言，最大限度地降低輸入和輸出濾波要求。一個(gè)集成的放大器提供真正的差分遠端輸出電壓采樣，從而可不受電路板 IR 壓降影響，實(shí)現高度準確的調節。圖 1 顯示了一個(gè)利用 LTC3880 從 12V 總線(xiàn)電壓產(chǎn)生 1.8V/20A 和 3.3V/15A 的典型應用。

　　圖 1：LTC3880 應用原理圖：從 12V 輸入產(chǎn)生 1.8V/20A 和 3.3V/15A

　　FAULT MANAGEMENT：故障管理

　　INTERFACE：接口

　　TO/FROM OTHER LTC DEVICES：至/自凌力爾特的其他器件

　　WRITE PROTECT：寫(xiě)保護

　　LTC3880/-1 有一個(gè)內置的 16 位 ADC，該 ADC 提供最佳可編程性和遙測回讀。

　　利用凌力爾特基于 GUI 的 LTpowerPlay 開(kāi)發(fā)軟件，通過(guò) LTC3880/-1 的 I2C 串行接口，該器件的配置非常容易存儲到內部 EEPROM 中。內置存儲器允許特定的用戶(hù)設置。此外，這個(gè)控制器還能自主加電，而不會(huì )增加主處理器的負擔。通過(guò)外部電阻器分壓器，可以有選擇地配置輸出電壓、開(kāi)關(guān)頻率、相位和器件地址的缺省設置。

　　LTC3880/-1 具有內置的集成 MOSFET 柵極驅動(dòng)器，以從范圍為 4.5V 至 24V 的輸入電壓驅動(dòng)所有 N 溝道功率 MOSFET，而且在整個(gè)工作溫度范圍內，該器件能以每相高達 30A 的輸出電流產(chǎn)生準確度為 ± 0.50%、范圍為 0.5V 至 5.5V 的輸出電壓。LTC3880/-1 還可驅動(dòng)電源構件或 DR MOS 器件。LTC3880/-1 的最短接通時(shí)間僅為 90ns，從而使該器件非常適用于緊湊型、高頻 / 高降壓比應用?？缍鄠€(gè)芯片的準確定時(shí)和基于事件的排序允許優(yōu)化復雜多軌系統的加電和斷電。

　　LTC3880 具一個(gè)內置 LDO。LTC3880-1 允許使用外部偏置電壓以實(shí)現最高效率。這兩款器件都采用耐熱增強型 6mm x 6mm QFN-40 封裝，工作節溫范圍為 -40°C 至 105°C。

　　數字系統管理實(shí)現真實(shí)應用

　　大型多軌電源電路板通常包括一個(gè)隔離式中間總線(xiàn)轉換器，該轉換器將 48V、24V 或其他電壓從背板轉換到較低的中間總線(xiàn)電壓 (IBV)，一般是 12V，分布在 PC 板卡各處。單獨的負載點(diǎn) (POL) DC-DC 轉換器將 IBV 降壓至所需的電壓軌，一般在 0.6V 至 5V 范圍，電流范圍為 0.5A 至 120A。圖 2 顯示了怎樣用凌力爾特各種不同的控制器和 DC/DC 轉換器控制一個(gè)多軌系統。負載點(diǎn) DC/DC 可以是自含式模塊、單片器件或由 DC-DC 控制器 IC 以及有關(guān)的電感、電容和 MOSFET 組成的解決方案。這些軌通常對排序、電壓準確度、過(guò)流和過(guò)壓限制、裕度控制以及監察有嚴格要求。

　　圖 2：通過(guò) I2C / PMBus 控制 15 個(gè)電壓軌的方框圖

　　SYSTEM HOST PROCESSOR WITH LTpowerPlayTM：采用 LTpowerPlayTM 的系統主處理器

　　TO OTHER LTC3880’s, LTC2974’s 和 LTC2978’s：至其他 LTC3880、LTC2974 和 LTC2978

　　顯然，電源管理的復雜性在提高，而且電路板有超過(guò) 30 個(gè)軌也并非不常見(jiàn)。這類(lèi)電路板是密集排列的，而且數字電源系統管理電路絕對不能占用太多電路板空間。它必須易于使用，并能控制大量電壓軌。凌力爾特的 LTC2978 兼有與 LTC3880/-1 及 LTC2874 配合使用必需的所有功能，可通過(guò)單條 I2C 總線(xiàn)控制多達 72 個(gè)電壓。LTC3880/-1 控制、監視和產(chǎn)生多達兩個(gè)大電流軌。LTC2978 控制和監視多達 8 個(gè)軌，而 LTC2974 則控制和監視多達 4 個(gè)軌。這類(lèi)解決方案必須自主工作或與系統主處理器通信以獲得指令、實(shí)現控制并報告遙測數據。圖 3 顯示了一個(gè)單通道 LTC2978 控制一個(gè) DC/DC 轉換器的例子。

　　圖 3：LTC2978 控制一個(gè)外部 DC/DC 轉換器

　　LOAD：負載

　　ONE OF EIGHT CHANNELS SHOWN：僅顯示了 8 個(gè)通道中的 1 個(gè)

　　PMBus 指令語(yǔ)言是為滿(mǎn)足大型多軌系統的需求而開(kāi)發(fā)的。除了完備定義的標準指令集以外，PMBus 兼容的器件還能采用它們自己專(zhuān)有的指令提供創(chuàng )新性增值功能。大多數指令和數據格式的標準化對生產(chǎn)這類(lèi)系統電路板的原始設備制造商 (OEM) 非常有利。該協(xié)議通過(guò)業(yè)界標準的 SMBus 串行接口實(shí)現，并可實(shí)現對電源轉換產(chǎn)品的設定、控制和實(shí)時(shí)監視。指令語(yǔ)言和數據格式標準化允許原始設備制造商非常容易地進(jìn)行固件開(kāi)發(fā)和重用，從而可以幫助電源系統設計師加快產(chǎn)品上市時(shí)間。如需更多信息，請訪(fǎng)問(wèn)：http://pmbus.org。

　　通過(guò)超過(guò) 75 個(gè) PMBus 標準指令功能，用戶(hù)用最流行的開(kāi)放標準電源管理協(xié)議之一，就可以全面控制電源系統的工作。通過(guò)確定 ALERT 引腳來(lái)響應所支持的 PMBus 故障，用戶(hù)還可以產(chǎn)生系統控制器中斷請求。凌力爾特提供的 LTpowerPlay GUI 使用戶(hù)能非常容易地訪(fǎng)問(wèn) LTC3880/-1 的工作和設置。

　　結論

　　數字電源創(chuàng )造了一種新的電源設計環(huán)境，這對幾個(gè)領(lǐng)域很重要。首先，用簡(jiǎn)單的 PC 連接對模擬電源進(jìn)行數字控制，在開(kāi)發(fā)階段非常有用，使設計師能讓系統快速進(jìn)入正常運行狀態(tài)。多軌系統的設計師需要一種非常容易的方法來(lái)監視、控制和調節電源電壓、限制和排序。與傳統方法相比，生產(chǎn)裕度測試更容易進(jìn)行，因為借助幾個(gè)通過(guò) I2C / PMBus 總線(xiàn)傳送的標準指令就可以控制整個(gè)測試。

　　有關(guān)電源工作狀態(tài)的電源系統數據可以回送給原始設備制造商，從而有效打開(kāi)有關(guān) DC/DC 轉換器工作狀態(tài)的盲點(diǎn)。如果一個(gè)電路板被返回，那么故障日志可以回讀，以確定發(fā)生了什么故障、電路板溫度和故障時(shí)間。這一數據可用來(lái)快速確定根本原因，確定系統是否工作在規定的工作限度之外，或者改進(jìn)未來(lái)產(chǎn)品的設計。

　　一個(gè)恰當設計的數字電源管理系統可為用戶(hù)提供功耗數據，從而允許做出明智的能量管理決策，這些決策可用來(lái)降低總體功耗。數字電源并不能解決所有人的所有問(wèn)題，不過(guò)，就多軌復雜系統和希望跟蹤電源系統狀態(tài)的原始設備制造商而言，數字電源是一種非常有用的工具。