一種新型數字電源系統管理(DPSM)解決方案

　　● 電路板硬件設計需要耗時(shí)幾天乃至數周，相比之下，從編寫(xiě)軟件代碼到觀(guān)察其效果之間的時(shí)間延遲要短得多。對產(chǎn)品上市進(jìn)程造成最大限制的是其編碼和測試生產(chǎn)率，而與其他因素關(guān)系不大。

　　● 軟件更新是根據需要 "推送" 給客戶(hù)，用以修補漏洞和改善現場(chǎng)使用性能。硬件更新則必需召回電路板進(jìn)行返工。

　　● 他們可以在舒適的小隔間里通過(guò)記錄的數據輕松地跟蹤其代碼的性能。性能瓶頸一下子就可以確定，因而能在未來(lái)實(shí)現快速改進(jìn)。而在另一塊場(chǎng)地上，硬件工程師們則是一連幾天呆在實(shí)驗室里，使用電壓計和示波器探頭彎腰駝背地的 "搗鼓" 各種電路板。

　　● 他們編寫(xiě)一組核心模塊代碼，隨后針對不同的客戶(hù)和市場(chǎng)需求進(jìn)行相應的修改。定制的硬件則需要變更組件和物料清單 (BOM)，因而冒著(zhù)設計產(chǎn)生分歧的風(fēng)險。

　　電源系統設計師面臨的挑戰日益嚴峻

　　使問(wèn)題更加嚴重的是，隨著(zhù)納米級處理器 (ASIC、FPGA、微處理器、DSP) 的電源電壓持續降低至目前的不足 1V，新式數字電路板的電源系統設計團隊面臨的挑戰就更加嚴峻。負載點(diǎn) (POL) 電源的容限要求日益嚴格，已接近 2% 至 3%，誤差預算包括負載步進(jìn)時(shí)的 DC 準確度、紋波和瞬態(tài)偏移。請注意，0.9V 電源的 3% 僅為 27mV。在電源電壓下降、處理器中塞進(jìn)更多內核的同時(shí)，電流值卻在上升，甚至超過(guò)了 100A。在數百安培電流流經(jīng)電源及地平面的情況下保持數十毫伏的準確度是一個(gè)嚴峻的 PDN (配電網(wǎng)絡(luò )) 設計任務(wù)。與此同時(shí)，人們還在盡力提高處理能量的效率，以降低數據中心電費和冷卻成本。隨著(zhù)電路板溫度接近 100oC，服務(wù)器機箱也變得越來(lái)越熱。設計周期越來(lái)越短，但是，視裕度測試結果的不同而不同，同時(shí)為了滿(mǎn)足不同市場(chǎng)及客戶(hù)的獨特需求，設計方案在最后一分鐘仍然需要各種修改。對于有多個(gè)電源的電路板，排序一直是一種常見(jiàn)要求，但是這種要求變得越來(lái)越復雜了，因為電源數量多達 20 至 50 個(gè)，而且跨越了多種功率域。

　　迄今為止的解決方案

　　諸如排序、監控、監視和裕度調節等電源管理任務(wù)一直由一堆雜亂無(wú)章的組件完成，包括監察器、排序器、ADC、DAC、放大器和微控制器。使這些分立器件協(xié)調一致地工作占據了大部分設計時(shí)間。集成型解決方案源于具有用于裕度調節、ADC 監視和 EEPROM 故障記錄之附加功能的監控器和排序器。但是這些器件在修整、裕度調節和監視方面的電壓準確度欠佳。另外還有片內系統 (SoC) 器件，此類(lèi)器件集成了許多獨立的數字門(mén)和具有 ADC、DAC、比較器及 PWM 輸出的邏輯電路。由于不具備任何的電源管理架構，因此即使面對最基本的任務(wù)，這些器件也需要進(jìn)行大量的編程，從而耗費長(cháng)達數月的時(shí)間來(lái)完成設計和驗證工作。

　　由于人們竭力推進(jìn)電源系統的數字化管理，因此產(chǎn)生了各種數字電源解決方案，這些解決方案的 DC/DC 轉換器環(huán)路采用了 ADC、數字補償器和數字 PWM。由于這種采樣系統固有的量化，數字環(huán)路在電源輸出電壓中產(chǎn)生了更大的噪聲和紋波。而且，這類(lèi)系統往往有較慢的瞬態(tài)響應、準確度欠佳甚至可能出現不規律、不可預期的運行表現。而另一方面，模擬環(huán)路速度更快、噪聲更低、更可預測。管理多個(gè)電源時(shí)，需要對 POL 電源進(jìn)行數字化配置以及與其進(jìn)行數字化通信，但是電源環(huán)路本身依然可以保持是模擬的，這樣就可以同時(shí)充分利用模擬和數字技術(shù)的優(yōu)勢。

　　完整解決方案

　　凌力爾特一直牢記 POL 電源發(fā)展趨勢，已經(jīng)從頭開(kāi)始設計了一種完整的數字電源系統管理 (DPSM) 解決方案。其核心理念就是，電源環(huán)路依然保持是模擬的，同時(shí)增加數字接口和數字控制。該解決方案如圖 1 所示。這個(gè) DPSM 系列包括多種可互操作的器件，有的有內置 DC/DC 轉換，有的則沒(méi)有，如圖 2 所示。所有這些器件都通過(guò)業(yè)界標準 PMBus 接口與電路板上的控制器通信。選擇 PMBus 可實(shí)現固件重用，有助于節省設計時(shí)間。對于那些首選自主工作而無(wú)需開(kāi)發(fā)代碼的工程師，凌力爾特還提供工程級開(kāi)發(fā)軟件 LTpowerPlay，以定制器件配置。

　　圖1：凌力爾特的DPSM架構。POL電源仍然保持是模擬的，同時(shí)增加了數字通信及數字控制。

　　Analog Monitoring and Control：模擬監視與控制

　　USB-to-PMBus：USB 至 PMBus

　　Board Controller：電路板控制器

　　LOGIC：邏輯電路

　　圖2：凌力爾特DPSM器件類(lèi)型，視所控制的電源軌數量的不同而不同，每一類(lèi)都提供多款器件。

　　POWER SYSTEM MANAGER：電源系統管理器

　　Any DC/DC Converter or Linear Regulator：任何 DC/DC 轉換器或線(xiàn)性穩壓器

　　DC/DC CONTROLLER WITH PSM：具 PSM 的 DC/DC 控制器

　　uModule REGULATOR WITH PSM：具 PSM 的 μModule 穩壓器

　　Free Download：免費下載

　　TO PMBus CONTROLLER AND OTHER DEVICES：至 PMBus 控制器及其他器件

　　LOAD：負載　　在這些符合 PMBus 標準的器件中，數字電源系統管理器是那種圍繞著(zhù)某一現有模擬電源系統的器件。它們利用一個(gè)準確度為 0.25% 的 16 位 ADC 來(lái)測量電源輸出電壓，將其與一個(gè)目標電壓寄存器進(jìn)行比較，并通過(guò)一個(gè)反饋至電源之反饋引腳或修整引腳的 10 位電壓 DAC 輸出來(lái)調節電源。±0.25% 的 DC 準確度為電源在負載步進(jìn)時(shí)的變化提供了很大的裕度，從而降低了對旁路電容的需求，并節省了所需電路板面積。微調伺服環(huán)路連續監視及調節電源，防止隨時(shí)間和溫度變化出現漂移，這改進(jìn)了電路板的長(cháng)期可靠性。由于電源電壓可以準確設定，所以在現場(chǎng)進(jìn)行電路板裕度測試時(shí)，減少了不必要的損失。該微調功能還能夠微調電源電壓，以?xún)?yōu)化給定系統負載的能耗。ADC 提供的電壓、電流和溫度數據可用來(lái)深入洞察系統性能，這有助于改進(jìn)電路板可靠性、預測電路板更換時(shí)間以及降低功耗。上市時(shí)間也可得到改善，因為很多設計的微調都是通過(guò)更改寄存器配置完成的，而不是讓電路板再次進(jìn)入生產(chǎn)周期。

　　數字電源系統管理器的另一個(gè)強大功能是以黑匣子方式將故障數據記錄到內部 EEPROM 中。當發(fā)生故障時(shí)，通過(guò)分析存儲在非易失性 EEPROM 存儲器中的最后幾個(gè)周期的 ADC 監視數據，故障分析大大加快了。這類(lèi)管理器還能用來(lái)進(jìn)行遠程診斷。當與更高層次的軟件集成時(shí)，還可以從遠程位置監視和診斷電路板的電源系統。類(lèi)似地，現場(chǎng)升級也可以通過(guò)推送固件完成。視器件的不同而不同，電源排序通過(guò)時(shí)間延遲或級聯(lián)實(shí)現；也支持對電源的跟蹤。16 通道數字電源系統管理器 LTM2987 如圖 3 所示。為了管理 16 個(gè)以上的電源，LTM2987 非常容易與其他管理器協(xié)調工作。

　　圖3：LTM2987：16通道μModule PMBus DPSM以0.25%的準確度進(jìn)行微調、裕度調節和監視

　　數字電源系統管理器非常適用于具 4 個(gè)或更多軌的現有電源系統。當需要對電源限流值、開(kāi)關(guān)頻率和斜坡斜率進(jìn)行數字控制時(shí)，具數字電源系統管理的DC/DC 控制器更加實(shí)用。這類(lèi)器件具備速度很快的模擬電流模式控制環(huán)路，增加了數字遙測、配置和控制功能，可實(shí)現最佳瞬態(tài)響應。在大電流應用中，準確的多相 (PolyPhase) 均流實(shí)現了更低的輸入紋波。LTM4676 等微型模塊系統級封裝集成了 N 溝道開(kāi)關(guān) MOSFET、電感器和電容器，可實(shí)現緊湊的 26A 解決方案。參見(jiàn)圖 4。

　　圖4：具DPSM的LTM4676雙輸出13A或單輸出26A μModule穩壓器

　　結論

　　對于運用大量電源軌的新式高性能數字處理電路板而言，數字電源系統管理是必備組成部分。市場(chǎng)上大多數解決方案都是為事后添加到排序器上而設計的，或者配備了很多需要大量設定工作的小組件。凌力爾特的 IC 設計師全面徹底地思考了這一問(wèn)題，定義了一個(gè)可互操作的產(chǎn)品系列，從而提供了一個(gè)經(jīng)過(guò)完整設計、完全合格且可面向未來(lái)的解決方案，幫助減輕了硬件工程師的設計負擔。