高性能低成本的數字電源管理介紹

今天的網(wǎng)絡(luò )設備設計師面臨著(zhù)開(kāi)發(fā)時(shí)間迅速縮短和成本受到嚴格限制的壓力，但是人們仍然期望他們能突破性能限制，并增加功能。越來(lái)越多的網(wǎng)絡(luò )系統功能需要增加ASIC和處理器，而每個(gè)ASIC和處理器都需要幾種電壓軌，從而導致出現了具有幾十種軌電壓的線(xiàn)路卡。電壓軌如此之多帶來(lái)的挑戰是，優(yōu)化硬件利用率，以最大限度地降低總體功耗。

為了滿(mǎn)足這種需求，數字電源管理作為復雜的高可靠性應用之關(guān)鍵組件正在快速出現。數字電源管理允許通過(guò)基于PC的軟件工具，高效率地對復雜的多軌系統進(jìn)行調試，從而可避免耗費大量時(shí)間更改硬件。相比于傳統的硬件ECN方法，基于軟件的線(xiàn)路內測試(ICT)以及電路板開(kāi)發(fā)與運行狀況檢驗工作大為簡(jiǎn)化，這是因為固件變更可在PC上完成，而無(wú)需接觸電路板。數字電源管理為設計師提供了實(shí)時(shí)遙測數據和故障記錄，從而能實(shí)現電源系統故障的快速診斷，并迅速采取糾正行動(dòng)。

也許最有意義的是，具有數字管理功能的DC/DC轉換器允許設計師開(kāi)發(fā)“綠色”電源系統，這類(lèi)電源系統在滿(mǎn)足系統性能目標(計算速度、數據傳輸速率等等)的同時(shí)，還能優(yōu)化能源利用率。優(yōu)化可以在負載點(diǎn)、電路板和機架上，甚至在安裝階段進(jìn)行，從而同時(shí)降低了基礎設施成本和產(chǎn)品在整個(gè)壽命期內的總體擁有成本。

本文探討了在網(wǎng)絡(luò )交換機和路由器、基站和服務(wù)器、以及工業(yè)和醫療設備中，怎樣通過(guò)使用LTC2974四通道數字電源管理IC來(lái)改善性能、可靠性和能效。

圖1：具備EEPROM的四通道電源控制器(僅顯示了一個(gè)通道)

PMBus INTERFACE：PMBus接口TO/FROM OTHER DEVICES：至/自其他器件TO uP RESETB INPUT：至微處理器的復位B輸入WATCHDOG TIMER INTERRUPT：看門(mén)狗定時(shí)器中斷信號DC/DC CONVERTER：DC/DC轉換器* SOME DETIALS OMITTED FOR CLARITY：*為清晰起見(jiàn)，省略了一些細節ONLY ONE OF FOUR CHANNELS SHOWN：僅顯示了4個(gè)通道之中的1個(gè)**LTC2974 MAY ALSO BE POWERED DRIECTLY FROM EXTERNAL 3.3V SUPPLY ** LTC2974也可以直接由外部3.3V電源供電對任何數量的電源排序;隨意增加電源LTC2974簡(jiǎn)化了任何數量電源的排序。通過(guò)使用一種基于時(shí)間的算法，用戶(hù)能以任何順序、動(dòng)態(tài)地為電源的接通和斷開(kāi)排序。利用單線(xiàn)共享時(shí)鐘總線(xiàn)以及一個(gè)或多個(gè)雙向故障引腳也可以跨多個(gè)LTC2974排序(參見(jiàn)圖2)。這種方法極大地簡(jiǎn)化了系統設計，因為通道能按照任何順序排序，而不管由哪一個(gè)LTC2974提供控制。任何時(shí)間都可增加額外的LTC2974，而不必擔心系統限制，例如子卡連接器引腳供應受限。

圖2：僅用兩條連接，就可以無(wú)縫地級聯(lián)多個(gè)LTC2974 SEQUENCE SUPPLIES UP IN ANY ORDER：以任何順序為電源加電排序INDIVIDUAL MARGINING FOR ALL SUPPLIES：所有電源都可以單獨進(jìn)行裕度調節SEQUENCE SUPPLIES DOWN IN ANY ORDER：以任何順序為電源斷電排序0.5V/DIV：每格0.5V AC-COUPLED：AC耦合加電排序可由各種條件響應觸發(fā)。例如，當下游DC/DC POL轉換器的中間總線(xiàn)電壓超過(guò)特定接通電壓時(shí)，LTC2974就可以自動(dòng)排序?；蛘?，接通排序可以由控制引腳輸入的上升或下降沿啟動(dòng)。該器件還可提供響應故障情況的立即斷開(kāi)或斷開(kāi)排序。排序還可以由簡(jiǎn)單的I2C命令啟動(dòng)。LTC2974支持這些條件的任意組合。

堅固的系統需要通用故障管理雙向故障引腳可用來(lái)建立通道之間故障響應的相關(guān)性。例如，如果發(fā)生短路，那么一個(gè)或多個(gè)通道的接通排序可以終止。電壓和電流監察器的限制門(mén)限和響應時(shí)間的過(guò)大和過(guò)小值都是可編程的。此外，還可監視輸入電壓、芯片溫度和4個(gè)外部二極管的溫度。LTC2974可以設定為，如果這些量之中的任意一個(gè)超過(guò)了它們的過(guò)大或過(guò)小值的限制，那么LTC2974就以若干種方式做出響應，包括立即鎖斷、抗尖峰干擾鎖斷和具重試功能的鎖斷。

還可用集成的看門(mén)狗定時(shí)器來(lái)監視外部微控制器。有兩種超時(shí)時(shí)間間隔可用：第一次看門(mén)狗時(shí)間間隔和接續時(shí)間間隔。這使得有可能在一確定電源良好信號以后，就為微控制器規定較長(cháng)的超時(shí)時(shí)間間隔。LTC2974可以配置為，如果發(fā)生看門(mén)狗故障，就使微控制器在預先確定的時(shí)間長(cháng)度內處于復位狀態(tài)，之后重新確定電源良好輸出。

利用準確的電壓監視來(lái)改善制造良率隨著(zhù)電壓降至低于1.8V，很多現成有售的模塊在隨溫度變化滿(mǎn)足輸出電壓準確度的要求方面都會(huì )遇到麻煩?，F在，低于±10mV的絕對準確度要求是常見(jiàn)的，從而必須在制造過(guò)程中微調輸出電壓，這是一個(gè)耗費大量時(shí)間的過(guò)程。

原始設備制造商(OEM)必須給測試留出裕度，以確保面對不斷漂移的軌電壓，交付可靠的系統，這可能導致極大地影響制造良率。解決這一問(wèn)題有一種好得多的辦法，即接受電源模塊不準確這個(gè)現實(shí)，使系統能在現場(chǎng)自我微調。LTC2974的數字伺服環(huán)路從外部微調該模塊的輸出電壓，使其準確度隨溫度變化好于±0.25%(參見(jiàn)圖3)，從而最大限度地減少了軌電壓漂移。除了改善制造良率，該數字伺服環(huán)路避開(kāi)了模塊準確度限制，使給電源模塊供電變得更容易了。

圖3：LTC2974可在整個(gè)溫度范圍內提供卓越的電壓伺服準確度ERROR：誤差THREE TYPICAL PARTS：3款典型器件TEMPERATURE：溫度堅固的系統得自非常容易的裕度調節LTC2974的數字伺服環(huán)路10位DAC在為Shmoo繪圖等應用保持高分辨率的同時(shí)，還允許用戶(hù)在很寬的范圍內調節電源裕度。裕度調節是用單條命令通過(guò)I2C接口控制的，而且裕度調節DAC的輸出連接到反饋節點(diǎn)，或通過(guò)一個(gè)電阻器微調DC/DC轉換器的輸入。這個(gè)電阻器的值針對允許的輸出電壓裕度調節范圍設定了硬件限制，這對于軟件控制之下的電源是一項重要的安全措施。

準確和溫度補償的DCR負載電流監視為了實(shí)現所希望的功耗節省，有必要總結出所有工作模式時(shí)的負載特性。FPGA用戶(hù)優(yōu)化代碼，以最大限度地降低功率，而ASIC用戶(hù)根據吞吐量需求來(lái)調節內核電壓。準確實(shí)時(shí)的遙測極大地簡(jiǎn)化了這種任務(wù)。

使用LTC2974，可以根據電壓、電流和溫度狀態(tài)寄存器確定系統是否處于正常狀態(tài)，同時(shí)多路轉換的16位?∑ADC監視輸入和輸出電壓、輸出電流、以及內部和外部二極管溫度。

由于內核電壓越來(lái)越低這一趨勢，準確測量負載電流已經(jīng)變成了一種挑戰，因為使用精確的電流檢測電阻器可能導致不可接受的功率損耗。一種選擇是將電感器的DC電阻(DCR)用作電流分流組件。這么做有幾種優(yōu)勢，包括零附加功耗、更低的電路復雜性和成本。然而，電感器電阻與溫度有很大的相關(guān)性，而且準確測量電感器磁芯的溫度很難，會(huì )不可避免地引入電流測量誤差(參見(jiàn)圖4)。