整合數字電源管理和模擬控制環(huán)路的DC/DC控制器設計

數字電源管理

今天數據中心系統的挑戰是，盡可能提高系統所有層面的效率，包括負載點(diǎn)、電路板、機架甚至安裝層面，以變得更加環(huán)保。例如，將工作流發(fā)送給盡可能少的服務(wù)器、關(guān)閉目前不需要的服務(wù)器等，從而可降低系統的總體功耗。能做到這一點(diǎn)并達到系統性能目標（計算速度、數據傳輸速率等）的惟一方式是，采用一個(gè)全面的數字電源管理系統，以實(shí)時(shí)監視所有層面的功耗數據。

過(guò)去，設計師用一堆混雜的IC胡亂拼湊數字電源管理解決方案，這些IC包括監察器、排序器、DAC和ADC。這類(lèi)解決方案除了固有的復雜性以外，還不易擴展，需要為未來(lái)的系統升級進(jìn)行大量前期規劃。LTC3883/LTC3883-1DC/DC控制器整合了所有數字電源管理功能，消除了上述復雜性，因此可構成一個(gè)易用、堅固和靈活的負載點(diǎn)（POL）電源管理解決方案。

LTC3883/LTC3883-1可以自主工作或通過(guò)業(yè)界標準的I2C串行總線(xiàn)，與系統主處理器通信，以獲取命令、實(shí)施控制并報告遙測數據。這使得可以直接從LTC3883/LTC3883-1監視關(guān)鍵的工作信息，例如實(shí)時(shí)電壓、電流和溫度，這些信息可用來(lái)動(dòng)態(tài)優(yōu)化系統性能和可靠性。通過(guò)訪(fǎng)問(wèn)這些信息，能預測電源系統故障，并采取預防性或調解措施。

重要的穩壓器參數（例如輸出電壓和電流限制、裕度控制電壓、過(guò)壓和欠壓監察限制、啟動(dòng)特性和時(shí)序、以及故障響應）都可以通過(guò)該串行總線(xiàn)直接設定，而無(wú)需采用電阻器、排序器、監視IC等外部組件。

由于有了數字電源系統管理，所以能快速、高效地開(kāi)發(fā)復雜的多軌系統。LTpowerPlay?軟件使設計工作得到了進(jìn)一步簡(jiǎn)化，并能通過(guò)PC監視電路板和調節參數。這就使設計師能進(jìn)行調試和在線(xiàn)測試（ICT），而無(wú)需重新給電路板布線(xiàn)或更換組件。

圖1：采用LTC3883實(shí)現的數字電源系統管理

圖2：具DCR檢測的高效率500kHz1.8V降壓型轉換器

INTERFACE：接口

圖3：采用LTpowerPlay軟件的完整開(kāi)發(fā)平臺

USBtoPMBusController：USB至PMBus控制器

DemoBoard：演示電路板

SocketedProgrammingBoard：插座式設置電路板

CustomerBoardwithLTC3883/LTC3883-1：采用LTC3883/LTC3883-1的客戶(hù)電路板

DemonstrationKit：演示工具包

Or：或

SocketedProgramming：通過(guò)插座式設置

In-CircuitSerialProgramming：通過(guò)串行總線(xiàn)在線(xiàn)設置

特色概述

LTC3883/LTC3883-1是一款單輸出同步降壓型DC/DC控制器，集成了電源FET柵極驅動(dòng)器和一個(gè)模擬電流模式控制環(huán)路，該環(huán)路能以6個(gè)相位的PolyPhase模式工作。頻率可以在250kHz至1MHz范圍內設定，如果有外部振蕩器可用，那么內部鎖相環(huán)能使LTC3883/LTC3883-1與相同范圍內的任何頻率同步。

LTC3883/LTC3883-1具有優(yōu)化的柵極驅動(dòng)器死區時(shí)間，以最大限度地降低開(kāi)關(guān)損耗和體二極管傳導，從而在所有工作條件下保持高效率。該器件支持4.5V至24V的寬VIN范圍和0.5V至5.5V的VOUT范圍。精確的基準、12位DAC和溫度補償模擬電流模式控制環(huán)路產(chǎn)生±0.5%的DC輸出電壓準確度，集成的高壓側輸入電流檢測放大器允許準確的輸入電流檢測和電感器DCR自動(dòng)校準。

16位數據采集系統提供輸入和輸出電壓及電流、占空比和溫度的數字回讀。用戶(hù)可以回讀重要參數的峰值。關(guān)鍵控制器參數可以通過(guò)PMBus設定。故障記錄包括非易失性存儲器中的中斷標記和黑匣子記錄器，該存儲器儲存發(fā)生故障之前瞬間的工作狀態(tài)。

LTC3883的特點(diǎn)是內置了一個(gè)LDO穩壓器，以提高集成度，而LTC3883-1用外部5V偏置電壓供電以提高效率。這兩款器件都采用耐熱增強型32引線(xiàn)5mmx5mmQFN封裝，工作節溫范圍或者為-40°C至105°C（E級）或者為-40°C至125°C（I級）。

PMBus控制

LTC3883/LTC3883-1PMBus接口允許以數字方式設定關(guān)鍵的電源參數以及重要的實(shí)時(shí)狀態(tài)數據回讀。運用凌力爾特的LTpowerPlay開(kāi)發(fā)軟件，可以將配置參數下載到內部EEPROM中。圖5顯示了基于PC的LTpowerPlay開(kāi)發(fā)平臺，該平臺具備USB至I2C/SMBus/PMBus適配器。器件一旦按照所希望的那樣配置完畢，就可以自主工作，而無(wú)需主機控制，因此無(wú)需額外的固件或微控制器。

通過(guò)PMBus可以設定以下電源參數：

輸出電壓和裕度電壓

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)

輸出軌裕度高/裕度低

對內部/外部故障的響應

故障傳播

PMBus使用戶(hù)能監視以下電源狀態(tài)：

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

故障日志狀態(tài)

模擬控制環(huán)路

LTC3883/LTC3883-1的眾多功能都是數字可編程的，包括輸出電壓、電流限制設定點(diǎn)和排序。不過(guò)，控制環(huán)路仍然是純模擬的，這樣就不會(huì )有數字控制環(huán)路那樣的量化效應，從而提供最佳環(huán)路穩定性和瞬態(tài)響應。

圖4比較的是具有模擬反饋控制環(huán)路的控制器IC和具有數字反饋控制環(huán)路的控制器IC之上升曲線(xiàn)。模擬環(huán)路是平滑上升的，而數字環(huán)路有一個(gè)一個(gè)的步進(jìn)，由于量化效應，這可能導致穩定性問(wèn)題、更慢的瞬態(tài)響應、在有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)。

電流模式控制環(huán)路產(chǎn)生最佳環(huán)路穩定性、逐周期電流限制以及快速和準確的電壓及負載瞬態(tài)響應。簡(jiǎn)單的環(huán)路補償不受工作狀態(tài)和轉換器配置的影響。該器件還支持連續、斷續和突發(fā)模式（BurstMode）電感器電流控制。

圖4：LTC3883的模擬控制環(huán)路與數字控制環(huán)路的對比。模擬環(huán)路具有平滑的上升曲線(xiàn)，而數字環(huán)路有一個(gè)一個(gè)的步進(jìn)，由于量化效應，這可能導致穩定性問(wèn)題、更慢的瞬態(tài)響應、在有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)。

ANALOGCONTROLLOOP：模擬控制環(huán)路

ANALOGCURRENTWAVEFORM：模擬電流波形

FIXED：固定的

DIGITALCONTROLLOOP：數字控制環(huán)路

DIGITALRAMP：數字斜坡

電感器DCR的自動(dòng)校準

利用電感器的DC電阻而不是檢測電阻器檢測DC/DC轉換器的輸出電流有幾大優(yōu)勢，包括更低的功率損耗、電路復雜性和成本。不過(guò)，如果規定的標稱(chēng)電感器DCR和實(shí)際的電感器DCR之間有任何差別，都會(huì )在所測得的輸出電流以及峰值電流限制中