利用數字電源系統管理降低數據中心的功耗

標簽：DC/DC 轉換 DSP

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。

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LTC3880/-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POLDC/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)。