電源管理 IC 以數字方式監視和控制 8 個(gè)電源

　　引言

　　當今的高可靠性系統需要采用復雜的數字電源管理解決方案對大量的電壓軌進(jìn)行排序、監控、監視和裕度調節。的確，如今一塊應用電路板具有幾十個(gè)電壓軌的情況并不少見(jiàn)，這些電壓軌各具自己獨特的要求。通常，面向這些系統的電源解決方案要求把多個(gè)受控于一個(gè) FPGA 或微控制器的分立器件散布在電路板的周?chē)?，以對電源陣列進(jìn)行排序、監控、監視和裕度調節。在此類(lèi)方案中，開(kāi)發(fā)必要的固件需耗費大量的時(shí)間，而低估這項任務(wù)的復雜性與完成周期的傾向是普遍存在的。

　　具 EEPROM 的 LTC®2978 8通道數字電源管理器可為電源系統設計人員提供一款集成型模塊化解決方案，其調試時(shí)間和工作量相比于微控制器解決方案有所減少。LTC2978 能夠對多達 8 個(gè)電源進(jìn)行接通和關(guān)斷排序、監視、監控、裕度調節及修整。采用單線(xiàn)式共享時(shí)鐘總線(xiàn)及一個(gè)或多個(gè)雙向故障引腳，可以容易地級聯(lián)多個(gè) LTC2978 (圖 1 示出了一種典型應用)。

　　圖 1：LTC2978 的典型應用電路

　　此外，LTC2978 還使用了一個(gè)受保護的非易失性存儲器，用于記錄發(fā)生關(guān)鍵性系統故障時(shí)的系統電壓和故障信息。通過(guò)把關(guān)鍵性的系統數據保存于非易失性存儲器中，用戶(hù)就能在系統開(kāi)發(fā)、測試調試或故障分析的過(guò)程中發(fā)現故障電壓軌并隔離電路板故障的成因。

　　LTC2978 采用了業(yè)界標準的 PMBus 命令協(xié)議，旨在簡(jiǎn)化固件開(kāi)發(fā)。不過(guò)，LTC2978 最重要的特性是其高精度集成型基準和 15 位ΔΣ ADC 可在測量或調節電源電壓時(shí)提供 ±0.25% 的絕對準確度。

　　LTC2978 贏(yíng)得成功的關(guān)鍵在于凌力爾特的 LTpowerPlayTM，這是一種免費的可下載圖形 PC 界面，可在設計與測試過(guò)程中方便與器件的互動(dòng)。LTpowerPlay 為使用 LTC2978 的特性提供了一種簡(jiǎn)單易用卻功能強大的配置工具。另外，LTpowerPlay 設計工具還將支持凌力爾特公司今后推出的數字電源管理器件。

　　借助精準的裕度測試來(lái)改善制造良率

　　系統電壓的裕度測試是根除高可靠性系統中早期故障的一種有效的方法。通常情況下，為了保證在測系統擁有在現場(chǎng)可靠操作的足夠堅固性，電壓的裕度至少為 ±5%。然而，視系統容限的不同，這種方法會(huì )導致過(guò)多的測試失敗 (test fallout)。假如上述的電源電壓容限嚴緊一點(diǎn)的話(huà)，那么這些測試不合格中有很多本來(lái)是可以避免的。

　　憑借其高精度基準、多路復用 15 位 ADC、8 個(gè)裕度 DAC 和集成伺服算法，LTC2978 為應對這一問(wèn)題提供了一種使用較為簡(jiǎn)單但功能十分強大的解決方案。通過(guò)簡(jiǎn)單地寫(xiě)入一個(gè)用于修整或裕度調節至某個(gè)特定電壓的 I2C 命令，LTC2978 便可在規定的軟件和硬件限制范圍內調節 DC/DC 負載點(diǎn)轉換器，以提供絕對準確度達 ±0.25% 的命令輸出電壓。

　　裕度 DAC 輸出通過(guò)一個(gè)電阻器連接至 DC/DC POL 轉換器的反饋節點(diǎn)或修整輸入。該電阻器的阻值設定了輸出電壓的裕度調節范圍限值，這是軟件控制型電源的一個(gè)重要的限制因素。10 位裕度 DAC 的另一個(gè)顯著(zhù)的優(yōu)勢是其能在進(jìn)行電壓裕度調節時(shí)實(shí)現非常精細的分辨率。這使其能夠從故障測試中提取有用的數據，這與在垃圾桶里堆滿(mǎn)了故障板卻又沒(méi)有對其徹底了解的情況截然相反。

　　靈活的電源排序和故障管理

　　許多傳統的電源排序解決方案依賴(lài)于比較器和菊鏈式 PCB 接線(xiàn)。雖然這種方法對于少數電源而言實(shí)現起來(lái)相對容易，但隨著(zhù)電壓軌數目的增加，使其復雜性迅速攀升，而且面對規格的變更會(huì )導致靈活性相對欠佳。另外，運用這種方法實(shí)現關(guān)斷排序也是極為困難的。

　　無(wú)論電源的數目多少，LTC2978 均可使其排序變得容易。通過(guò)采用一種基于時(shí)間的算法，用戶(hù)能夠以任意順序進(jìn)行接通和關(guān)斷的動(dòng)態(tài)排序 (見(jiàn)圖 2)。多個(gè) LTC2978 的排序也可使用單線(xiàn)式共享時(shí)鐘總線(xiàn)及一個(gè)或多個(gè)雙向故障引腳來(lái)實(shí)現。由于能以任意順序進(jìn)行通道的排序 (而與由哪一個(gè) LTC2978 提供控制無(wú)關(guān))，因此該方法極大地簡(jiǎn)化了系統設計。而且，以后還可增加更多的 LTC2978，而無(wú)需擔心諸如子板卡連接器引腳的電源受限等系統限制條件。

　　圖 2：排序及裕度調節實(shí)例

　　接通排序可應多種條件而被觸發(fā)。例如：當下游 DC/DC POL 轉換器的中間總線(xiàn)電壓超過(guò)某個(gè)特定的接通電壓時(shí)，LTC2978 將執行自動(dòng)排序?；蛘?，接通排序也能夠應控制引腳輸入的上升沿或下降沿而啟動(dòng)。另外，排序還可利用一個(gè)簡(jiǎn)單的 I2C 命令來(lái)啟動(dòng)。LTC2978 支持這些條件的任意組合。

　　雙向故障引腳可用于通道之間各種不同的故障響應相關(guān)性。比如：在發(fā)生短路的情況下，可以中斷一個(gè)或多個(gè)通道的接通排序。當某個(gè)電源軌上電時(shí)，欠壓監控器功能將被啟用 (過(guò)壓功能始終處于啟用狀態(tài))。電壓監控器的過(guò)壓和欠壓門(mén)限以及響應時(shí)間都是可編程的。此外，還對輸入電壓和溫度進(jìn)行了監視。如果這些參數中的任一種超過(guò)其“過(guò) / 欠”限值，則客戶(hù)可從眾多的故障響應中進(jìn)行選擇。具體的實(shí)例包括立即鎖斷、去抖動(dòng)鎖斷以及具重試功能的鎖斷。

　　該器件內置了一個(gè)集成型看門(mén)狗定時(shí)器，用于對外部微控制器實(shí)施監控?？商峁﹥煞N超時(shí)間隔：初始看門(mén)狗間隔和后續間隔。這使得能夠在緊接著(zhù)電源良好信號被置為有效之后為微控制器規定一個(gè)較長(cháng)的超時(shí)間隔。倘若發(fā)生看門(mén)狗故障，則可把 LTC2978 配置為在一個(gè)預定的時(shí)間之內使微控制器復位，而后重新將電源良好輸出置為有效。

　　多層面的遠端采樣 (Multifaceted Telemetry)

　　LTC2978 在其寄存器中預備了多種遠端采樣數據。多路復用的 15 位ΔΣ ADC負責監視輸入和輸出電壓及片內溫度，并存儲所有電壓和溫度讀數的最小值與最大值。此外，還可對用于奇數輸出通道的 ADC 輸入進(jìn)行重新配置，以測量檢測電阻器電壓。在此模式中，該 ΔΣ ADC 能夠分辨低至 15.3μV 的電壓，當試圖利用電感器 DCR 電路來(lái)測量電流時(shí)，這一點(diǎn)是寶貴的。

　　雖然 LTC2978 可依靠一個(gè) 3.0V 至 3.6V 電源直接供電，但 ADC 能接受高達 6V 的輸入電壓 —— 無(wú)需擔憂(yōu)體二極管或極不穩定的待機電源電壓。而且，利用其內部穩壓器，LTC2978 還能夠依靠一個(gè) 4.5V 至 15V 的輸入電源來(lái)運行。提供了一個(gè)單獨的高電壓 (最大值為 15V) 檢測輸入，用于測量受控于 LTC2978 的 DC/DC POL 轉換器的輸入電源電壓。

　　黑匣子數據記錄器

　　當某個(gè)通道因故障響應而被停用時(shí)，LTC2978 的數據日志可被轉儲至受保護的 EEPROM 中。這個(gè) 255 字節的數據塊將被保存在 NVM (非易失性存儲器) 之中，直到由 I2C 命令將其清除為止。該數據塊包含了故障發(fā)生之前 500ms 的輸出和輸入電壓及溫度數據，還有對應的最小值與最大值。另外，自上一次系統復位之后的狀態(tài)寄存器值和總的正常運行時(shí)間也存儲在數據日志之中。

　　數據日志的內容可采用 LTpowerPlay設計工具查看。這樣，LTC2978 便提供了在關(guān)鍵性故障發(fā)生前一刻電源系統的完整瞬間狀態(tài)信息，從而可在故障發(fā)生之后很好地查出故障的成因。對于首批樣機的調試及現場(chǎng)故障而言，這是一項非常寶貴的特性。

　　圖形用戶(hù)界面和 PMBus

　　凌力爾特公司基于 PC 的易用型 LTpowerPlay 圖形用戶(hù)界面 (GUI) 允許用戶(hù)通過(guò)一塊 USB 至 PMBus 接口板對 LTC2978 進(jìn)行在線(xiàn)配置和編程 (見(jiàn)圖 3)。該 GUI 免費且可下載，免除了開(kāi)發(fā)過(guò)程中大量的代碼編寫(xiě)工作，并通過(guò)允許設計人員在一個(gè)直觀(guān)框架內配置所有器件參數以加快產(chǎn)品的上市進(jìn)程。一旦選定了器件配置，設計人員即可把參數保存在一個(gè)文件中，并與一個(gè) BPM Micro 編程器一起發(fā)送給合同制造商或授權分銷(xiāo)商進(jìn)行預編程。

　　圖 3： LTpowerPlay 交互式 GUI

　　LTC2978 采用業(yè)界標準的 PMBus 接口協(xié)議，該協(xié)議是 I2C 兼容型 SMBus 標準的一個(gè)擴展集。PMBus 是一種開(kāi)放式且被廣泛采用的標準，它明確定義了用于單獨 DC/DC POL 轉換器的數字電源管理協(xié)議。LTC2978 支持大量的 PMBus 命令。另外，該器件還具有一些 DC/DC 轉換器制造商的專(zhuān)用命令，旨在保持低復雜性和高通用性。

　　結論

　　憑借其前所未有的參數準確度、豐富的特性集和模塊化架構，LTC2978 成為一款適合管理各種終端市場(chǎng)中眾多 DC/DC POL 轉換器的理想解決方案，從醫療、工業(yè)、計算機、視頻和通信到消費類(lèi)等一應俱全。

　　業(yè)界標準的 PMBus 接口、功能強大的 LTpowerPlay GUI 和集成型 EEPROM 使得能夠針對所有應用進(jìn)行 LTC2978 的客戶(hù)化設計。設計人員可采用基于 PC 的圖形界面來(lái)配置器件，并將器件的配置上傳至凌力爾特公司。據此，凌力爾特就能提供針對特定應用而定制的即用型預編程器件。

　　LTC2978 的其他特點(diǎn)包括一個(gè)集成型高精度基準、一個(gè)多路復用15位 ΔΣ ADC、8 個(gè) 10 位電壓緩沖 DAC、8 個(gè)具可編程門(mén)限和響應時(shí)間的過(guò)壓和欠壓 10 位電壓監控器、以及一個(gè)用于存儲配置參數和故障記錄信息的集成型 EEPROM。LTC2978 采用 64 引腳 9mm x 9mm QFN 封裝。