適用于所有場(chǎng)合的數字電源系統管理

　　這些更小的線(xiàn)寬使一些數字功能得以實(shí)現，而以前在模擬 IC 上是不可行的。具電壓、電流和狀態(tài)信息數字回讀的電源控制器在提供電源功能的同一個(gè)芯片上實(shí)現了。線(xiàn)寬減小的一個(gè)附帶好處是，使用典型的小型數字工藝制造 IC 時(shí)，可以將 DMOS 晶體管包括進(jìn)來(lái)。這些 DMOS 器件可以應對高壓和大電流，允許在同一個(gè)器件上全面集成電源轉換器、開(kāi)關(guān)穩壓器以及電源和控制功能。

　　雙極型電路的技術(shù)進(jìn)步逐步導致產(chǎn)生更好的基準、放大器和 RF IC。這些進(jìn)步是由電路系統的精細化和優(yōu)化、而不是由任何類(lèi)型的工藝技術(shù)突破導致的。模擬 IC 競爭格局使所有制造商都常備不懈地努力改進(jìn)產(chǎn)品。不過(guò)，應該提到的一點(diǎn)是，既然模擬 IC 性能是基于真實(shí)世界參數，那么這些 IC 最終就有可能達到理論上的性能極限。一旦接近理論上的性能極限，進(jìn)一步改進(jìn)就不可能了。這就是為什么今天最暢銷(xiāo)、使用最廣泛的 IC 仍然是 20 多年以前設計的，而且在此期間沒(méi)有任何改變。

2 數字電源系統管理 (DPSM)

　　在這樣的背景下，要為最終產(chǎn)品配置數字電源系統管理解決方案，系統設計師必須做哪些事情? 一個(gè)主要目標將是，設計一個(gè)能夠非常容易地通過(guò)數字通信總線(xiàn)配置和監視的系統。這將通過(guò)運用以下各種總線(xiàn)之一實(shí)現：I2C、SMBus 或 PMBus。這些總線(xiàn)中的任何一種都能夠實(shí)現按需遙測功能，以設定、監視、更改和記錄系統內任何 PoL 轉換器配置的電源參數。圖1所示是對這種系統的簡(jiǎn)要說(shuō)明。

　　正如在這個(gè)例子中可以看到的那樣，這些 PoL 轉換器采用了 3 種不同拓撲配置。圖1中最上面的轉換器采用了一個(gè)電源系統管理器芯片和一個(gè)傳統 DC/DC 轉換器。該 DC/DC 轉換器可以采用任何類(lèi)型的拓撲和任何程度的集成，因為這是電源系統管理器，通過(guò)通信總線(xiàn)連接控制和監視該轉換器。中間的 PoL 轉換器集成度更高，也就是說(shuō)，DC/DC 轉換器有內置電源系統管理 (內置在同一封裝中)。最后，圖中最下面的 PoL 轉換器是一個(gè)緊湊型模塊，在一個(gè)外殼中納入了電源系統管理器、DC/DC 轉換器以及所有相關(guān)的外部組件 (凌力爾特公司稱(chēng)這類(lèi)模塊為 μModule? 穩壓器)。

　　凌力爾特公司提供廣泛的器件選擇，以使系統設計師能夠選擇怎樣用系統管理器以及與其相關(guān)的 PoL DC/DC 轉換器配置他們的數字電源系統需求。圖 2 顯示了 LTC3884 的原理圖，該器件是一款雙輸出多相 (PolyPhase?) 降壓型控制器，適用于具數字系統電源管理的超低 DCR 檢測應用。

　　LTC3884 在 4.5V 至 38V 輸入電壓范圍內工作，提供兩路大電流輸出，具基于 I²C 的 PMBus 兼容串行接口。該控制器采用恒定頻率電流模式架構，其獨特的電路提高了電流檢測信號的信噪比，從而在超低 DCR 應用中提供了卓越的性能?？删幊汰h(huán)路補償使該控制器能夠以數字方式補償。開(kāi)關(guān)頻率、通道調相輸出電壓、以及器件地址都可以通過(guò)數字接口以及外部配置電阻器設定。此外，可以通過(guò)數字接口設定參數，或者將參數存儲在 EEPROM 中。兩路輸出都有獨立的電源良好指示器和故障功能。最后，具 GUI 的凌力爾特 LTpowerPlay? 軟件開(kāi)發(fā)工具 (稍后更詳細地介紹) 支持該器件。

　　有些應用可能需要 PoL 轉換器有更高的集成度，尤其是輸出電流不是很高的應用，例如在 4A 至 6A 范圍。針對這類(lèi)情況，凌力爾特開(kāi)發(fā)了 LTC3815，該器件是一款具數字系統電源管理的 6A 單片同步降壓型轉換器，參見(jiàn)圖 3。這款 PoL 轉換器采用一個(gè)可鎖相控制接通時(shí)間的恒定頻率、電流模式架構以提供極快的瞬態(tài)響應，并允許在所要求非常短的接通時(shí)間工作，以在高開(kāi)關(guān)頻率調節低輸出電壓。輸出電壓可用單個(gè)外部電阻設定在 0.4V 至 75% 的輸入電壓范圍，或者用外部電壓基準通過(guò)基準輸入引腳來(lái)設定?？梢酝ㄟ^(guò)標準 PMBus 接口以小至 0.1% 的增量對輸出進(jìn)行上升或下降 25% 的裕度調節。

　　LTC3815 的工作頻率可用一個(gè)外部電阻器編程在 400kHz 至 4MHz 范圍，或者針對開(kāi)關(guān)噪聲敏感應用而言，可同步至一個(gè)相同范圍的外部時(shí)鐘。最后，其串行接口還可以用來(lái)回讀故障狀態(tài)以及時(shí)間平均 (~4ms) 及峰值輸入 / 輸出電流、輸入 / 輸出電壓和溫度。

3 面向DPSM產(chǎn)品的 LTpowerPlay 通用 GUI

　　用 DPSM 產(chǎn)品設計的系統有一個(gè)關(guān)鍵優(yōu)勢，即憑借合適的 GUI 能夠非常容易地與系統內每個(gè)單獨的 PoL 轉換器通信。因此，從一開(kāi)始，凌力爾特公司就決定開(kāi)發(fā)一個(gè)能夠作為完整開(kāi)發(fā)平臺使用的 GUI，且該 GUI 要能夠非常容易地與凌力爾特 DPSM 產(chǎn)品線(xiàn)中提供的不同類(lèi)型的產(chǎn)品一起使用，這就是基于 LTpowerPlay 窗口的開(kāi)發(fā)環(huán)境。這個(gè)軟件不僅使同時(shí)控制和監視多個(gè) PMBus 支持的凌力爾特器件非常容易，而且還允許實(shí)時(shí)修改 DC/DC 轉換器配置，以及向每個(gè)器件的內部 EEPROM 下載系統參數。這就允許在軟件中調節系統配置，而不是求助于久經(jīng)時(shí)間考驗的傳統方法來(lái)更換組件和用電烙鐵在電路板上重新連線(xiàn)，因此縮短了設計開(kāi)發(fā)時(shí)間。不過(guò)，優(yōu)點(diǎn)并未到此為止。最終系統在諸如數據中心等現場(chǎng)中部署完畢后，負責人可以利用這個(gè) GUI，通過(guò)合適的接口，簡(jiǎn)便地更新 PoL 轉換器的工作參數，完成對系統的實(shí)時(shí)調節。圖 4 顯示了凌力爾特 LTpowerPlay 狀態(tài)顯示板的一個(gè)典型屏幕截圖，當用戶(hù)查詢(xún)系統時(shí)，會(huì )看到這樣的屏幕顯示內容。

　　這款軟件開(kāi)發(fā)系統支持所有凌力爾特 PMBus 產(chǎn)品，可幫助設計師在系統最初開(kāi)發(fā)以及之后安裝在用戶(hù)處時(shí)快速調試系統。該開(kāi)發(fā)系統允許快速和簡(jiǎn)便地監視、控制及調節電源電壓和各種限定值，并允許快速、簡(jiǎn)便地實(shí)現電源排序。此外，生產(chǎn)裕度測試也可以簡(jiǎn)便地用幾條標準 PMBus 命令執行。

4 結論

　　數據通信、電信或存儲系統如果擁有數字電源管理功能，就可為系統設計師開(kāi)發(fā)“綠色”電源系統提供必要的工具，使這些電源系統能夠在負載點(diǎn)、電路板、機架級甚至安裝后以最低能耗滿(mǎn)足目標性能要求 (計算速率、數據傳輸速率等)。這就降低了基礎設施成本以及產(chǎn)品壽命期內的總體擁有成本。雖然采取傳統的烙鐵和重新布線(xiàn)的方法來(lái)調試硬件系統可能會(huì )得到樂(lè )趣，但是 DPSM 的軟件可編程性卻可顯著(zhù)地節省通常與這類(lèi)工作有關(guān)的調試時(shí)間。