系統設計師的數字電源研究

數字電源在什么情況下有意義

用簡(jiǎn)單的 PC 連接對模擬電源進(jìn)行數字控制在開(kāi)發(fā)階段尤其有用，在這一階段，設計師需要讓系統快速進(jìn)入正常運行狀態(tài)。有可能有超過(guò) 20 個(gè) POL電壓軌，而且用戶(hù)需要能非常容易地調節電源電壓、從低到高/從高到低給電源排序、設定工作電壓限制以及讀取電壓、電流或溫度等參數，還需要通過(guò)數字接口訪(fǎng)問(wèn)詳細的故障記錄。在這類(lèi)系統中，要保持對電壓軌的嚴格控制并實(shí)現最高性能，高準確度極其重要。

在今天的新式電子系統中，了解穩壓器的環(huán)境條件和工作狀態(tài)也許是仍然存在的最后一個(gè)“盲點(diǎn)”，因為通常沒(méi)有辦法直接配置或遠程監視關(guān)鍵工作參數。檢測穩壓器輸出電壓隨時(shí)間推移或溫度變化而產(chǎn)生的漂移，并據此在可能的故障事件出現之前采取行動(dòng)，對于可靠工作是至關(guān)重要的。一個(gè)設計良好的數字電源系統可以監視穩壓器的性能，并報告穩壓器的狀態(tài)，以便在穩壓器超過(guò)性能規范甚至出現故障之前能采取糾正行動(dòng)。

在數據中心中，一個(gè)關(guān)鍵的挑戰是，通過(guò)重新調整工作流程，并將作業(yè)轉移到未充分利用的服務(wù)器上以使其他服務(wù)器能停機來(lái)降低總體功耗。為了滿(mǎn)足這些要求，知道最終用戶(hù)設備的功耗非常重要。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，從而有助于做出明智的能量管理決策。

為了防止昂貴的 ASIC 可能被過(guò)壓狀態(tài)損壞，高速比較器必須監視每個(gè)軌的電壓值，并在某個(gè)軌超出其規定的安全工作限制時(shí)，立即采取保護性措施。在數字電源系統中，當故障發(fā)生時(shí)，可以通過(guò) PMBus 報警線(xiàn)通知主機，而且從屬軌可以停機，以保護 ASIC 等受電器件。實(shí)現這種級別的保護，需要卓越的準確度和數十微秒的響應時(shí)間。
之所以采用數字電源管理，是因為它能提供有關(guān)電源系統的準確信息，而且它能非常容易地自主控制和監察很多電壓。電路板設計師不必寫(xiě)單條代碼線(xiàn)，除非他們想讓主處理器讀取遙測數據和進(jìn)行簡(jiǎn)單的故障干預。顯然，制造商需要提供新用戶(hù)以及有經(jīng)驗的用戶(hù)非常容易采用、定制和以特定專(zhuān)門(mén)市場(chǎng)為目標的經(jīng)濟實(shí)惠器件。凌力爾特提供幾種數字電源產(chǎn)品，LTC3880/-1 是最近推出的這類(lèi)產(chǎn)品之一。

關(guān)于 LTC3880

LTC3880 和 LTC3880-1 是具 I2C PMBus 接口的雙輸出高效率同步降壓型 DC/DC 控制器，適用于數字電源系統管理。這些器件兼有最佳模擬開(kāi)關(guān)穩壓器性能和精確的混合信號數據轉換，可減輕電源系統設計和管理負擔，得到了具易用圖形用戶(hù)界面 (GUI) 的 LTpowerPlay 軟件開(kāi)發(fā)系統的支持。

LTC3880/-1 允許對關(guān)鍵負載點(diǎn)轉換器功能的實(shí)時(shí)控制和監視進(jìn)行數字設定和回讀?？删幊炭刂茀蛋ㄝ敵鲭妷?、裕度控制和電流限制、輸入和輸出監察限制、加電排序和跟蹤、開(kāi)關(guān)頻率以及識別和可跟蹤性數據。片上內置的精確數據轉換器和 EEPROM 允許捕獲穩壓器的配置設置和遙測變量，包括輸入和輸出電壓及電流、占空比、溫度和故障記錄，并對這些數據進(jìn)行非易失性存儲。LTC3880/-1 有一個(gè)模擬控制環(huán)路，以實(shí)現最佳環(huán)路穩定性和最快的瞬態(tài)響應，因而沒(méi)有在較慢的數字控制環(huán)路中常見(jiàn)的量化效應。該器件能提供兩個(gè)獨立的輸出或配置為兩相單輸出。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，從而就大電流和 / 或多個(gè)輸出應用而言，最大限度地降低輸入和輸出濾波要求。一個(gè)集成的放大器提供真正的差分遠端輸出電壓采樣，從而可不受電路板IR壓降影響，實(shí)現高度準確的調節。圖 1 顯示了一個(gè)利用 LTC3880 從 12V 總線(xiàn)電壓產(chǎn)生 1.8V/20A 和 3.3V/15A 的典型應用。

圖 1：LTC3880 應用原理圖：從 12V 輸入產(chǎn)生 1.8V/20A 和 3.3V/15A

LTC3880/-1 有一個(gè)內置的 16 位 ADC，該 ADC 提供最佳可編程性和遙測回讀。

LTC3880/-1 的設定分辨率和遙測準確度

LTC3880/-1 設定分辨率 LTC3880/-1 遙測分辨率

利用凌力爾特基于 GUI 的 LTpowerPlay? 開(kāi)發(fā)軟件，通過(guò) LTC3880/-1 的 I2C 串行接口，該器件的配置非常容易存儲到內部 EEPROM 中。內置存儲器允許特定的用戶(hù)設置。此外，這個(gè)控制器還能自主加電，而不會(huì )增加主處理器的負擔。通過(guò)外部電阻器分壓器，可以有選擇地配置輸出電壓、開(kāi)關(guān)頻率、相位和器件地址的缺省設置。

LTC3880/-1 具有內置的集成MOSFET柵極驅動(dòng)器，以從范圍為 4.5V 至 24V 的輸入電壓驅動(dòng)所有 N 溝道功率 MOSFET，而且在整個(gè)工作溫度范圍內，該器件能以每相高達 30A 的輸出電流產(chǎn)生準確度為 ± 0.50%、范圍為 0.5V 至 5.5V 的輸出電壓。LTC3880/-1 還可驅動(dòng)電源構件或 DRMOS器件。LTC3880/-1 的最短接通時(shí)間僅為 90ns，從而使該器件非常適用于緊湊型、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)化復雜多軌系統的加電和斷電。

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

數字系統管理實(shí)現真實(shí)應用

大型多軌電源電路板通常包括一個(gè)隔離式中間總線(xiàn)轉換器，該轉換器將 48V、24V 或其他電壓從背板轉換到較低的中間總線(xiàn)電壓 (IBV)，一般是 12V，分布在 PC 板卡各處。單獨的負載點(diǎn) (POL) DC-DC 轉換器將 IBV降壓至所需的電壓軌，一般在 0.6V 至 5V 范圍，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 DC-DC 控制器 IC 以及有關(guān)的電感、電容和MOSFET組成的解決方案。這些軌通常對排序、電壓準確度、過(guò)流和過(guò)壓限制、裕度控制以及監察有嚴格要求。

圖 2：通過(guò) I2C / PMBus 控制 15 個(gè)電壓軌的方框圖