數字電源是正確選擇嗎?

引言
有經(jīng)驗的數字電源用戶(hù)通常都會(huì )很清楚地認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，數字電源的好處也許就不那么明顯了。他們提出的典型問(wèn)題包括：當采用數字電源時(shí)，我們產(chǎn)品的上市時(shí)間會(huì )更長(cháng)嗎? 采用數字電源有多難? 學(xué)習期多長(cháng)? 有額外成本嗎? 我們的客戶(hù)會(huì )看重數字電源嗎? 這種技術(shù)會(huì )打開(kāi)新的市場(chǎng)嗎? 如果我們不在產(chǎn)品線(xiàn)中采用數字電源，會(huì )落后嗎? 他們需要知道這些問(wèn)題的答案，以幫助決定采用數字電源時(shí)對最終應用是否為一個(gè)良好的選擇。

為什么使用數字電源?
在開(kāi)發(fā)階段，用一個(gè)簡(jiǎn)單的 PC 連接對模擬電源進(jìn)行數字控制尤其有用，在這個(gè)階段，設計師需要讓系統迅速啟動(dòng)和運行?？赡苡卸噙_ 30 個(gè)負載點(diǎn) (POL)電壓軌，用戶(hù)要能非常容易地監視和調節電源電壓、對電源加電 / 斷電排序、設定工作電壓限制以及讀取電壓、電流、溫度等參數，并能通過(guò)數字接口獲取詳細的故障日志數據。在這類(lèi)系統中，要對電壓軌保持嚴格控制并實(shí)現最高性能，高準確度極端重要。

在數據中心中，一個(gè)關(guān)鍵挑戰是: 通過(guò)重新安排工作流程并將作業(yè)轉移到未充分利用的服務(wù)器上，以關(guān)閉其他服務(wù)器，降低總體功耗。為了滿(mǎn)足這類(lèi)要求，知道最終用戶(hù)設備的功耗是非常重要的。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，從而允許做出智能能量管理決策。

在今天的新式電子系統中，穩壓器的環(huán)境和工作狀態(tài)也許是最后一個(gè)需要了解的“盲點(diǎn)”，因為通常沒(méi)有辦法直接配置或遠程監視穩壓器的關(guān)鍵工作參數。要實(shí)現可靠工作，能檢測穩壓器輸出電壓隨時(shí)間的漂移或過(guò)熱情況并在潛在故障事件發(fā)生之前采取行動(dòng)，這是至關(guān)重要的。一個(gè)良好設計的數字電源系統可以監視電壓穩壓器的性能，并報告穩壓器狀態(tài)是否正常，以便在超出規范或發(fā)生故障之前能采取糾正行動(dòng)。

為了保護昂貴的 ASIC 不受可能出現的過(guò)壓情況的影響，高速比較器必須監視每個(gè)電壓軌的值，并在某個(gè)電壓軌超出規定的安全工作限度時(shí)，立即采取保護行動(dòng)。在數字電源系統中，當發(fā)生故障時(shí)，可以通過(guò) PMBus 警報線(xiàn)通知主機，而且相關(guān)的電壓軌可以關(guān)斷，以保護 ASIC 等受電設備。要實(shí)現這樣的保護，需要卓越的準確度和非?？斓捻憫獣r(shí)間。

之所以采用數字電源管理是因為數字電源能提供有關(guān)電源系統的準確信息，而且能輕而易舉地自主控制和監察幾十個(gè)電壓。在一個(gè)復雜的系統板上，到處探測和監視 30 個(gè)負載點(diǎn)電壓可能是非常困難的。系統設計師一行代碼都不必編寫(xiě)，除非他們需要主處理器讀取遙測數據，并進(jìn)行簡(jiǎn)單的故障干預。顯然，制造商需要為專(zhuān)門(mén)市場(chǎng)提供定制和經(jīng)濟實(shí)惠的器件，這使新手和經(jīng)驗老道的用戶(hù)都可以輕松使用。凌力爾特提供幾款數字電源產(chǎn)品，最近推出的 LTC3880 就是其中之一。

數字電源是正確選擇
LTC3880 和 LTC3880-1 是雙輸出高效率同步降壓型 DC/DC 控制器，具基于 I2C 的 PMBus 接口，用于數字電源系統管理。這兩款器件同時(shí)提供同類(lèi)最佳的模擬開(kāi)關(guān)穩壓器性能和精確的混合信號數據轉換，以方便電源系統設計和管理，LTpowerPlay 軟件開(kāi)發(fā)系統支持這兩款器件，該系統具有易用的圖形用戶(hù)界面 (GUI)。

LTC3880 / LTC3880-1 允許對實(shí)時(shí)控制進(jìn)行數字設定和回讀，并允許監視關(guān)鍵負載點(diǎn)轉換器的功能?？删幊炭刂茀蛋ㄝ敵鲭妷?、裕度調節和電流限制、輸入和輸出檢查限制、加電排序和跟蹤、開(kāi)關(guān)頻率以及識別和可跟蹤性數據。內置的精確數據轉換器及 EEPROM 允許捕獲穩壓器配置設定值和遙測變量，包括輸入和輸出電壓及電流、占空比、溫度以及故障日志，并對其進(jìn)行非易失性存儲。

LTC3880/-1 具模擬控制環(huán)路，可實(shí)現最佳環(huán)路穩定性和最快速的瞬態(tài)響應，而且沒(méi)有較慢的數字控制環(huán)路中常見(jiàn)的量化效應。這些器件可以提供兩個(gè)獨立的輸出，或配置為提供兩相單輸出。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和 / 或多輸出應用降低輸入和輸出濾波要求。一個(gè)集成的放大器提供真正差分遠端輸出電壓取樣，從而實(shí)現了準確度很高的調節，而且不受電路板 IR 壓降的影響。圖 1 顯示了一個(gè)典型應用，該應用利用 LTC3880 從 12V 總線(xiàn)電壓產(chǎn)生 1.8V/20A 和 3.3V/15A。

圖 1：LTC3880 應用原理圖

利用凌力爾特公司基于圖形用戶(hù)界面的 LTpowerPlay開(kāi)發(fā)軟件，LTC3880/-1 的配置非常容易通過(guò)器件的 I²C 串行接口保存到內部 EEPROM 中。片內上存儲器允許特定用戶(hù)設置。此外，這些控制器還能自主加電，而不會(huì )增加主處理器的負擔。輸出電壓、開(kāi)關(guān)頻率、相位以及器件地址的默認設置可選擇由外部電阻分壓器配置。LTC3880/-1 具內置的 16 位 ADC，提供了同類(lèi)最佳的可編程性和遙測回讀。

設定 LTC3880/-1 的分辨率和遙測準確度
LTC3880/-1 的編程分辨率

V_OUT 命令
•12 位分辨率
•5.5V 范圍，每步進(jìn) 1.375mV
•2.75V 范圍，每步進(jìn) 687uV

電流限制設定點(diǎn)
•3 位分辨率，±5mV 的準確度
•25mV 至 75mV 范圍

OV/UV V_OUT 監察器
•8 位分辨率，±2% 的準確度

OV/UV V_IN 監察器
•8 位分辨率，±2% 的準確度

LTC3880/-1 遙測分辨率
輸入電流
•16 位分辨率
•每相位及合計

V_IN
•16 位分辨率，±2% 的準確度

V_OUT
•16 位分辨率，±0.5% 的準確度

I_OUT
•16 位分辨率
•6mV V_SENSE 時(shí)準確度為 ±1%
•DCR 的校準因數

LTC3880/-1 具內置的集成式 MOSFET 柵極驅動(dòng)器，以在 4.5V 至 24V 的輸入電壓范圍內驅動(dòng)全 N 溝道功率 MOSFET，而且在整個(gè)工作溫度范圍內，這些器件能以每相位高達 30A 的輸出電流，在 0.5V 至 5.5V 的輸出電壓范圍內，提供 ±0.50% 的準確度。LTC3880/-1 還可以驅動(dòng)電源構件或 DR MOS 器件。LTC3880/-1 的最短接通時(shí)間僅為 90ns，使其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)化復雜的多軌系統的加電和斷電。

LTC3880 具一個(gè)內置的 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，具 -40°C 至 105°C 的工作節溫范圍。

真實(shí)應用的數字系統管理
大型多軌電源電路板通常由一個(gè)隔離式中間總線(xiàn)轉換器組成，該轉換器將 48V、24V 或其他背板電壓轉換到較低的中間總線(xiàn)電壓 (IBV)，一般為 12V，該 12V 電壓分配到 PC 板卡各處。每個(gè)負載點(diǎn) DC-DC 轉換器將中間總線(xiàn)電壓降至所需的軌電壓，一般在 0.6V 至 5V 范圍，同時(shí)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、單片器件或由多個(gè)具電感、電容及 MOSFET 的 DC-DC 控制器 IC 組成的解決方案。這些電壓軌通常對排序、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：有關(guān)怎樣通過(guò)一條 I²C / PMBus 控制 15 個(gè)電壓軌的方框圖

顯然，電源管理的復雜性在提高，而且有超過(guò) 30 個(gè)軌的電路板并非不常見(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必須不占用太大的電路板空間。該電路必須易于使用，而且能控制大量軌。凌力爾特的 LTC2978 兼有與 LTC3880/-1 及 LTC2874 一起工作必需的所有功能，以在單段 I2C 總線(xiàn)上控制多達 72 個(gè)電壓。LTC3880/-1 控制、監視并產(chǎn)生兩個(gè)大電流軌。LTC2978 控制并監視多達 8 個(gè)軌，而 LTC2974 控制并監視 4 個(gè)軌。這樣的解決方案必須自主工作，或與系統主處理器通信以獲取命令、實(shí)現控制并報告遙測數據。圖 3 顯示了控制 DC/DC 轉換器的 LTC2978 的一個(gè)通道。

圖 3：LTC2978 控制一個(gè)外部 DC/DC 轉換器

開(kāi)發(fā) PMBus 命令語(yǔ)言是為滿(mǎn)足大型多軌系統的需求。除了一套定義完備的標準命令以外，PMBus 兼容器件還可以采用它們自己的專(zhuān)有命令，以提供創(chuàng )新性增值功能。大部分命令和數據格式的標準化對制造這類(lèi)系統板的原始設備制造商 (OEM) 很有利。該協(xié)議是通過(guò)業(yè)界標準 SMBusTM 串行接口實(shí)現的，實(shí)現了電源轉換產(chǎn)品的設定、控制和實(shí)時(shí)監視。命令語(yǔ)言和數據格式標準化允許 OEM 非常容易地開(kāi)發(fā)和重用固件，這可以幫助電源系統設計師縮短產(chǎn)品開(kāi)發(fā)時(shí)間并加快上市。如需更多信息，請訪(fǎng)問(wèn)：http://pmbus.org。

憑借超過(guò) 75 種 PMBus 標準命令的功能，用戶(hù)可以利用其中一種最流行的開(kāi)放標準電源管理協(xié)議，對電源系統進(jìn)行充分的運行控制。通過(guò)確定 ALERT 引腳以響應所支持的 PMBus 故障，用戶(hù)還可以為系統控制器產(chǎn)生中斷請求。凌力爾特提供的 LTpowerPlay 圖形用戶(hù)界面使用戶(hù)能非常容易地獲取 LTC3880/-1 的運行狀態(tài)和設定值。

結論
數字電源為電源建立了一種新的設計環(huán)境，這在幾個(gè)方面創(chuàng )造了價(jià)值。首先，在開(kāi)發(fā)階段，用一個(gè)簡(jiǎn)單的 PC 連接對模擬電源實(shí)施數字控制非常有用，使設計師能讓系統迅速進(jìn)入工作狀態(tài)。多軌系統設計師需要非常容易地監視、控制和調節電源電壓、限值和排序。生產(chǎn)裕度測試比傳統方法更容易進(jìn)行，因為整個(gè)測試可以通過(guò) I²C / PMBus 總線(xiàn)用幾條標準命令控制。

有關(guān)電源工作狀態(tài)，電源系統數據可以發(fā)回給 OEM，從而有效地打開(kāi)了與 DC/DC 轉換器工作狀態(tài)有關(guān)的盲點(diǎn)。如果一個(gè)電路板被返回了，那么可以回讀故障日志，以確定發(fā)生了什么故障、電路板溫度以及故障時(shí)間。這類(lèi)數據可用來(lái)快速確定故障的根源，確定系統工作時(shí)是否超出了規定的工作限度，或者用來(lái)改進(jìn)未來(lái)產(chǎn)品的設計。

一個(gè)設計恰當的數字電源管理系統可為用戶(hù)提供功耗數據，允許做出智能能量管理決策，這可用來(lái)降低總體功耗。數字電源并不能解決所有人的問(wèn)題，不過(guò)就多軌復雜系統和需要保留電源系統狀態(tài)記錄的 OEM 來(lái)說(shuō)，數字電源是一個(gè)非常強大的工具。