基于雙輸出DC/DC控制器結合數字電源系統管理和模擬控制環(huán)路以實(shí)現±0.5%的VOUT準確度

　　盡管電源管理對新式電子系統的可靠運行至關(guān)重要，但是在今天以數字方式管理的系統中，穩壓器也許是最后一個(gè)仍然存在的“盲點(diǎn)”。就穩壓器而言，很少有辦法直接配置或監視關(guān)鍵電源系統運行參數。因此，希望全面實(shí)現數字控制的電源設計師必須使用混雜在一起的排序器、微控制器和電壓監察器，以設定基本的穩壓器啟動(dòng)和安全功能。目前已有數字可編程 DC/DC 轉換器可用，特別是那些為 VRM 內核電源而設計并具備 VID 輸出電壓控制功能的轉換器，但是這類(lèi)有特定應用目標的轉換器不能直接溝通重要的工作參數，例如實(shí)時(shí)電流。

　　LTC3880 / LTC3880-1 結合了雙輸出同步降壓型DC/DC控制器和擁有通過(guò)基于 I2C 的 PMBus 總線(xiàn)使用全面的電源管理功能，這解決了復雜的電源系統管理問(wèn)題。PMBus 可用來(lái)設定輸出電壓、電壓裕度、開(kāi)關(guān)頻率、排序以及若干其他工作參數 (參見(jiàn)下面“PMBus控制”部分)。

　　圖 1：采用外部功率 MOSFET 的雙輸出穩壓器

　　LTC3880 還允許通過(guò) 16 位數據采集系統監視電源，這種方法可提供輸入和輸出電壓及電流、占空比以及溫度的數字回讀，其中包括重要參數的峰值。LTC3880 還包括通過(guò)中斷標志和非易失性存儲器實(shí)現廣泛的故障記錄功能，非易失性存儲器是一種“黑匣子”記錄器，存儲了在故障發(fā)生之前瞬間轉換器的工作狀態(tài)。

　　數字電源系統管理的一個(gè)主要好處是降低了設計費用，并加速了產(chǎn)品上市。LTC3880 / LTC3880-1 憑借免費提供和可下載的 LTpowerPlay 開(kāi)發(fā)軟件，極大地簡(jiǎn)化了復雜的多軌系統設計，該開(kāi)發(fā)軟件是一種基于 PC 的全面開(kāi)發(fā)環(huán)境 (參見(jiàn)圖 6)。在該環(huán)境中，在線(xiàn)測試 (ICT) 和電路板調試僅需要點(diǎn)擊幾下鼠標就可完成，而無(wú)需焊接到“白色導線(xiàn)”定位點(diǎn)中。由于可以使用實(shí)時(shí)遙測數據，所以可以立即得到設計結果，從而有可能預測電源系統故障，并立即采取預防性措施。

　　也許最重要的是，具備數字管理功能的 DC/DC 轉換器允許設計師開(kāi)發(fā)“綠色”電源系統，這類(lèi)系統優(yōu)化了能源利用率，同時(shí)滿(mǎn)足系統性能目標 (計算速度、數據傳輸速率等等)。優(yōu)化可以在負載點(diǎn)、電路板和機架上進(jìn)行，甚至可以在安裝階段進(jìn)行，從而降低了基礎設施成本和產(chǎn)品整個(gè)壽命期內的總體擁有成本。

　　為了提供最佳性能調節，LTC3880 堅持采用精確的基準和溫度補償模擬電流模式控制環(huán)路，以產(chǎn)生嚴格的 ±0.5% DC 輸出電壓準確度。該模擬控制環(huán)路促成了非常容易的補償，環(huán)路經(jīng)過(guò)了校準，以不受工作條件的影響，該環(huán)路還可實(shí)現逐周期限流，并產(chǎn)生快速和準確的電壓及負載瞬態(tài)響應，在運用數字控制的產(chǎn)品中沒(méi)有見(jiàn)到與 ADC 量化有關(guān)的誤差。

　　LTC3880 具備內置的穩壓器以提高集成度，而 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，工作節溫范圍為 -40°C 至 105°C (E 級版本) 或 -40°C 至 125°C (I 級版本)。

　　模擬控制環(huán)路確保同類(lèi)最佳的穩壓器性能

　　LTC3880 / LTC3880-1 是數字可編程以實(shí)現無(wú)數功能，這包括輸出電壓和電流限制設定點(diǎn)以及排序?？刂骗h(huán)路盡管是純模擬的，但提供了最佳環(huán)路穩定性和瞬態(tài)響應，而不會(huì )產(chǎn)生數字控制環(huán)路的量化效應。圖 2 比較了具備模擬反饋控制環(huán)路的控制器 IC 與具備數字反饋控制環(huán)路的控制器 IC 之斜坡曲線(xiàn)。模擬環(huán)路有平滑的斜坡，而數字環(huán)路有離散的步進(jìn)，由于量化效應，這可能導致穩定性問(wèn)題、較慢的瞬態(tài)響應、在某些應用中需要更大的輸出電容以及在 PWM 控制信號上有更大的輸出紋波和抖動(dòng)。

　　圖 2：LTC3880 的模擬控制環(huán)路與數字控制環(huán)路的比較

　　ANALOG CONTROL LOOP：模擬控制環(huán)路

　　ANALOG CURRENT WAVEFORM：模擬電流波形

　　FIXED：固定的

　　DIGITAL CONTROL LOOP：數字控制環(huán)路

　　DIGITAL RAMP：數字斜坡

　　實(shí)際上，與具備數字控制環(huán)路的可比較 IC 相比，LTC3880 的模擬控制環(huán)路需要使用的輸出電容小 50% 且具有更好的穩定性和更短的穩定時(shí)間。此外，由于存在 ADC 分辨率有限引起的量化效應，所以數字控制的瞬態(tài)響應在穩定之前有震蕩。圖 3 比較了 LTC3880 的模擬控制環(huán)路與同類(lèi) IC 的數字控制環(huán)路的瞬態(tài)響應。請注意，LTC3880 使用約等于數字控制器一半的輸出電容，但產(chǎn)生了更干凈的結果。

　　圖 3：在 15A 瞬態(tài)負載步進(jìn)情況下，模擬和數字控制環(huán)路響應的比較。模擬控制環(huán)路需要的輸出電容僅為數字環(huán)路的一半，同時(shí)實(shí)現了卓越得多的穩定時(shí)間

　　ANALOG CONTROL LOOP：模擬控制環(huán)路

　　100mV/DIV：每格 100mV

　　AC-COUPLED：AC 耦合

　　15A LOAD STEP：15A 負載步進(jìn)

　　DIGITAL CONTROL LOOP：數字控制環(huán)路

　　LTC3880 設計為，當修改其配置文件時(shí)，環(huán)路增益不變。當修改輸出電壓或電流限制時(shí)，瞬態(tài)響應不受影響，而且補償環(huán)路無(wú)需要調節。

　　PMBus 控制

　　LTC3880 / LTC3880-1 具備數字設定和回讀，以實(shí)時(shí)控制和監視關(guān)鍵負載點(diǎn)轉換器的功能。配置可通過(guò) I2C 串行接口下載至內部 EEPROM，凌力爾特基于 PC 的 LTpowerPlay 開(kāi)發(fā)軟件支持該接口。圖 4 顯示了具備 USB 至 I2C / SMBus / PMBus 適配器連接的 LTpowerPlay 開(kāi)發(fā)平臺。配置文件存儲在內置的非易失性存儲器中以后，控制器自主加電，而不會(huì )增加主機負擔。配置電路板是一項簡(jiǎn)單的任務(wù)，完全不需要開(kāi)發(fā)固件。

　　圖 4：用 LTpowerPlay 軟件建立完整的開(kāi)發(fā)平臺非常容易

　　USB to PMBus Controller：USB 至 PMBus 控制器

　　Demo Board：演示電路板

　　Socketed Programming Board：有插座的設置電路板

　　Customer Board with LTC3880/LTC3880-1：采用 LTC3880 / LTC3880-1 的客戶(hù)電路板

　　Demonstration Kit：演示套件

　　Or：或

　　Socketed Programming：通過(guò)插座設置

　　In-circuit Serial Programming：在線(xiàn)串行設置

　　PMBus 功能包括可設置特定的電源管理參數，包括：

　　輸出電壓和電壓裕度

　　基于電感器溫度的溫度補償電流限制門(mén)限

　　開(kāi)關(guān)頻率

　　過(guò)壓和欠壓高速監察器門(mén)限

　　輸出電壓接通 / 斷開(kāi)時(shí)間延遲

　　輸出電壓上升 / 下降時(shí)間

　　輸入電壓接通 / 斷開(kāi)門(mén)限

　　輸出軌接通 / 斷開(kāi)

　　輸出電壓軌高裕度/低裕度

　　響應內部 / 外部故障

　　故障傳播

　　此外，PMBus 功能允許監視電源的運行，包括：

　　輸出 / 輸入電壓

　　輸出 / 輸入電流

　　內部芯片溫度

　　外部電感器溫度

　　器件狀態(tài)

　　故障狀態(tài)

　　系統狀態(tài)

　　峰值輸出電流

　　峰值輸出電壓

　　峰值內部 / 外部溫度

　　故障記錄狀態(tài)

　　組成一個(gè)多軌系統

　　大型多軌電源電路板一般由一個(gè)隔離式中間總線(xiàn)轉換器組成，將來(lái)自背板的 48V、24V 或其他相對較高的電壓轉換成較低的中間總線(xiàn)電壓 (IBV)，一般為 12V，該中間總線(xiàn)電壓被分配到 PC 板卡各處。

　　單獨的負載點(diǎn) (POL) DC-DC 轉換器將 IBV 降至所需的軌電壓，軌電壓通常在 0.5V 至 5V 范圍，同時(shí)輸出電流范圍為 0.5A 至 120A。圖 5 顯示，怎樣用各種不同的凌力爾特控制器和 DC/DC 轉換器 PMBus 器件控制一個(gè)多軌系統。負載點(diǎn) DC/DC 轉換器可以是自含式模塊、單片器件，或者由 DC/DC 控制器 IC 以及有關(guān)的電感器、電容器和 MOSFET 組成解決方案。這些軌通常對排序、電壓準確度、過(guò)流和過(guò)壓限制、裕度調節以及監察有嚴格的要求。

　　圖 5：用來(lái)控制 15 個(gè)或更多軌的 LTpowerPlay 和 PMBus

　　SYSTEM HOST PROCESSOR WITH LTpowerPlay：采用 LTpowerPlay 的系統主處理器

　　TO OTHER LTC3880s, LTC2974s AND LTC2978s：至其他 LTC3880、LTC2974 和 LTC2978

　　RAIL 1：軌 1

　　電源管理的復雜性越來(lái)越高。具有超過(guò) 30 個(gè)軌的電路板并非不常見(jiàn)。這類(lèi)電路板上組件排列已經(jīng)相當密集，因此所增加的數字電源系統管理電路必須占用最少的電路板空間和外部引腳。該系統必須非常容易由用戶(hù)或系統主處理器進(jìn)行修改。LTC3880 可與凌力爾特其他 PMBus 監察器、伴隨 IC 以及凌力爾特穩壓器無(wú)縫配合，以實(shí)現復雜電路板的最佳控制。這些系統在初始配置完成后自主工作，或與主處理器通信，以獲取命令、實(shí)現控制并報告遙測數據。

　　凌力爾特 PMBus 控制器 (例如: LTC3880) 以及伴隨 IC (例如: LTC2978) 使得為任何數量的電源設定加電和斷電排序都非常容易。利用基于時(shí)間的算法，用戶(hù)能以任何順序和簡(jiǎn)單的可編程延遲動(dòng)態(tài)地對軌的接通和斷開(kāi)排序。利用單線(xiàn) SHARE_CLK 總線(xiàn)以及一個(gè)或多個(gè)雙向通用 IO (/GPIO) 引腳，也可以跨多個(gè)芯片排序。這極大地簡(jiǎn)化了系統設計，因為多個(gè)軌能以任何順序排序。還可以在以后增加額外的 PMBus 芯片，而不必擔心系統限制，例如連接器引腳數量有限等。PMBus 支持多個(gè)地址，從而在同一條 I2C 總線(xiàn)上允許連接超過(guò) 100 個(gè)獨特的器件。

　　軌接通的排序可以由響應各種條件而觸發(fā)。例如，當中間總線(xiàn)電壓超過(guò)所設定的門(mén)限 (VIN(ON)) 時(shí)，LTC3880 和 LTC2978 可以自動(dòng)排序?；蛘?，軌接通排序可以由響應 RUN / CONTROL 引腳的上升沿而啟動(dòng)。軌接通排序還可以由 PMBus 命令啟動(dòng)。

凌力爾特 PMBus 伴隨 IC 的故障引腳可以共享 LTC3880 上的 /GPIO 引腳，以控制軌之間的故障響應相關(guān)性。例如，可以對系統進(jìn)行配置，以使一個(gè)軌上的故障可以啟動(dòng)任何數量軌的停機。如果將故障響應配置為“立即斷開(kāi)、不進(jìn)行重試”，而且發(fā)生了一個(gè)故障，那么主處理器就必須采取行動(dòng)，以使這些軌重啟?；蛘?，如果故障響應被設定為“立即斷開(kāi)、無(wú)限重試”