系統(tǒng)設計師的數(shù)字電源

　　引言

　　有經驗的數(shù)字電源用戶一般都充分意識到數(shù)字電源系統(tǒng)管理的好處。不過，就那些正在考慮數(shù)字電源對他們的產品是否有意義的用戶而言，數(shù)字電源系統(tǒng)管理的好處就不那么明顯了。他們經常問到的問題包括：

　　我們的客戶會看重數(shù)字電源嗎?

　　這種技術將會打開新市場嗎?

　　如果我們不在我們的產品中采用數(shù)字電源，我們會落后嗎?

　　采用數(shù)字電源有多難?

　　學習曲線有多長?

　　如果采用數(shù)字電源，我們的產品上市時間會延長嗎?

　　有什么額外的代價?

　　我們需要了解這些問題的答案，以幫助決定在最終應用中，數(shù)字電源是否是一個好的選擇。

　　數(shù)字電源在什么情況下有意義

　　用簡單的 PC 連接對模擬電源進行數(shù)字控制在開發(fā)階段尤其有用，在這一階段，設計師需要讓系統(tǒng)快速進入正常運行狀態(tài)。有可能有超過 20 個 POL 電壓軌，而且用戶需要能非常容易地調節(jié)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(shù)，還需要通過數(shù)字接口訪問詳細的故障記錄。在這類系統(tǒng)中，要保持對電壓軌的嚴格控制并實現(xiàn)最高性能，高準確度極其重要。

　　在今天的新式電子系統(tǒng)中，了解穩(wěn)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“盲點”，因為通常沒有辦法直接配置或遠程監(jiān)視關鍵工作參數(shù)。檢測穩(wěn)壓器輸出電壓隨時間推移或溫度變化而產生的漂移，并據此在可能的故障事件出現(xiàn)之前采取行動，對于可靠工作是至關重要的。一個設計良好的數(shù)字電源系統(tǒng)可以監(jiān)視穩(wěn)壓器的性能，并報告穩(wěn)壓器的狀態(tài)，以便在穩(wěn)壓器超過性能規(guī)范甚至出現(xiàn)故障之前能采取糾正行動。

　　在數(shù)據中心中，一個關鍵的挑戰(zhàn)是，通過重新調整工作流程，并將作業(yè)轉移到未充分利用的服務器上以使其他服務器能停機來降低總體功耗。為了滿足這些要求，知道最終用戶設備的功耗非常重要。一個恰當設計的數(shù)字電源管理系統(tǒng)可以向用戶提供功耗數(shù)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 可能被過壓狀態(tài)損壞，高速比較器必須監(jiān)視每個軌的電壓值，并在某個軌超出其規(guī)定的安全工作限制時，立即采取保護性措施。在數(shù)字電源系統(tǒng)中，當故障發(fā)生時，可以通過 PMBus 報警線通知主機，而且從屬軌可以停機，以保護 ASIC 等受電器件。實現(xiàn)這種級別的保護，需要卓越的準確度和數(shù)十微秒的響應時間。

　　之所以采用數(shù)字電源管理，是因為它能提供有關電源系統(tǒng)的準確信息，而且它能非常容易地自主控制和監(jiān)察很多電壓。電路板設計師不必寫單條代碼線，除非他們想讓主處理器讀取遙測數(shù)據和進行簡單的故障干預。顯然，制造商需要提供新用戶以及有經驗的用戶非常容易采用、定制和以特定專門市場為目標的經濟實惠器件。凌力爾特提供幾種數(shù)字電源產品，LTC3880/-1 是最近推出的這類產品之一。

　　關于 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(shù)字電源系統(tǒng)管理。這些器件兼有最佳模擬開關穩(wěn)壓器性能和精確的混合信號數(shù)據轉換，可減輕電源系統(tǒng)設計和管理負擔，得到了具易用圖形用戶界面 (GUI) 的 LTpowerPlay 軟件開發(fā)系統(tǒng)的支持。

　　LTC3880/-1 允許對關鍵負載點轉換器功能的實時控制和監(jiān)視進行數(shù)字設定和回讀?？删幊炭刂茀?shù)包括輸出電壓、裕度控制和電流限制、輸入和輸出監(jiān)察限制、加電排序和跟蹤、開關頻率以及識別和可跟蹤性數(shù)據。片上內置的精確數(shù)據轉換器和 EEPROM 允許捕獲穩(wěn)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(shù)據進行非易失性存儲。LTC3880/-1 有一個模擬控制環(huán)路，以實現(xiàn)最佳環(huán)路穩(wěn)定性和最快的瞬態(tài)響應，因而沒有在較慢的數(shù)字控制環(huán)路中常見的量化效應。該器件能提供兩個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 IC 之間實現(xiàn)準確的均流，從而就大電流和 / 或多個輸出應用而言，最大限度地降低輸入和輸出濾波要求。一個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，實現(xiàn)高度準確的調節(jié)。圖 1 顯示了一個利用 LTC3880 從 12V 總線電壓產生 1.8V/20A 和 3.3V/15A 的典型應用。

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

　　FAULT MANAGEMENT：故障管理

　　INTERFACE：接口

　　TO/FROM OTHER LTC DEVICES：至/自凌力爾特的其他器件

　　WRITE PROTECT：寫保護

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

　　利用凌力爾特基于 GUI 的 LTpowerPlay 開發(fā)軟件，通過 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設置。此外，這個控制器還能自主加電，而不會增加主處理器的負擔。通過外部電阻器分壓器，可以有選擇地配置輸出電壓、開關頻率、相位和器件地址的缺省設置。

　　LTC3880/-1 具有內置的集成 MOSFET 柵極驅動器，以從范圍為 4.5V 至 24V 的輸入電壓驅動所有 N 溝道功率 MOSFET，而且在整個工作溫度范圍內，該器件能以每相高達 30A 的輸出電流產生準確度為 ± 0.50%、范圍為 0.5V 至 5.5V 的輸出電壓。LTC3880/-1 還可驅動電源構件或 DR MOS 器件。LTC3880/-1 的最短接通時間僅為 90ns，從而使該器件非常適用于緊湊型、高頻 / 高降壓比應用。跨多個芯片的準確定時和基于事件的排序允許優(yōu)化復雜多軌系統(tǒng)的加電和斷電。

　　LTC3880 具一個內置 LDO。LTC3880-1 允許使用外部偏置電壓以實現(xiàn)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(jié)溫范圍為 -40°C 至 105°C。

　　數(shù)字系統(tǒng)管理實現(xiàn)真實應用

　　大型多軌電源電路板通常包括一個隔離式中間總線轉換器，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電壓 (IBV)，一般是 12V，分布在 PC 板卡各處。單獨的負載點 (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 轉換器控制一個多軌系統(tǒng)。負載點 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、過流和過壓限制、裕度控制以及監(jiān)察有嚴格要求。

　　圖 2：通過 I2C / PMBus 控制 15 個電壓軌的方框圖

　　SYSTEM HOST PROCESSOR WITH LTpowerPlayTM：采用 LTpowerPlayTM 的系統(tǒng)主處理器

　　TO OTHER LTC3880’s, LTC2974’s 和 LTC2978’s：至其他 LTC3880、LTC2974 和 LTC2978

　　顯然，電源管理的復雜性在提高，而且電路板有超過 30 個軌也并非不常見。這類電路板是密集排列的，而且數(shù)字電源系統(tǒng)管理電路絕對不能占用太多電路板空間。它必須易于使用，并能控制大量電壓軌。凌力爾特的 LTC2978 兼有與 LTC3880/-1 及 LTC2874 配合使用必需的所有功能，可通過單條 I2C 總線控制多達 72 個電壓。LTC3880/-1 控制、監(jiān)視和產生多達兩個大電流軌。LTC2978 控制和監(jiān)視多達 8 個軌，而 LTC2974 則控制和監(jiān)視多達 4 個軌。這類解決方案必須自主工作或與系統(tǒng)主處理器通信以獲得指令、實現(xiàn)控制并報告遙測數(shù)據。圖 3 顯示了一個單通道 LTC2978 控制一個 DC/DC 轉換器的例子。

　　圖 3：LTC2978 控制一個外部 DC/DC 轉換器

　　LOAD：負載

　　ONE OF EIGHT CHANNELS SHOWN：僅顯示了 8 個通道中的 1 個

　　PMBus 指令語言是為滿足大型多軌系統(tǒng)的需求而開發(fā)的。除了完備定義的標準指令集以外，PMBus 兼容的器件還能采用它們自己專有的指令提供創(chuàng)新性增值功能。大多數(shù)指令和數(shù)據格式的標準化對生產這類系統(tǒng)電路板的原始設備制造商 (OEM) 非常有利。該協(xié)議通過業(yè)界標準的 SMBus 串行接口實現(xiàn)，并可實現(xiàn)對電源轉換產品的設定、控制和實時監(jiān)視。指令語言和數(shù)據格式標準化允許原始設備制造商非常容易地進行固件開發(fā)和重用，從而可以幫助電源系統(tǒng)設計師加快產品上市時間。如需更多信息，請訪問：http://pmbus.org。

　　通過超過 75 個 PMBus 標準指令功能，用戶用最流行的開放標準電源管理協(xié)議之一，就可以全面控制電源系統(tǒng)的工作。通過確定 ALERT 引腳來響應所支持的 PMBus 故障，用戶還可以產生系統(tǒng)控制器中斷請求。凌力爾特提供的 LTpowerPlay GUI 使用戶能非常容易地訪問 LTC3880/-1 的工作和設置。

　　結論

　　數(shù)字電源創(chuàng)造了一種新的電源設計環(huán)境，這對幾個領域很重要。首先，用簡單的 PC 連接對模擬電源進行數(shù)字控制，在開發(fā)階段非常有用，使設計師能讓系統(tǒng)快速進入正常運行狀態(tài)。多軌系統(tǒng)的設計師需要一種非常容易的方法來監(jiān)視、控制和調節(jié)電源電壓、限制和排序。與傳統(tǒng)方法相比，生產裕度測試更容易進行，因為借助幾個通過 I2C / PMBus 總線傳送的標準指令就可以控制整個測試。

　　有關電源工作狀態(tài)的電源系統(tǒng)數(shù)據可以回送給原始設備制造商，從而有效打開有關 DC/DC 轉換器工作狀態(tài)的盲點。如果一個電路板被返回，那么故障日志可以回讀，以確定發(fā)生了什么故障、電路板溫度和故障時間。這一數(shù)據可用來快速確定根本原因，確定系統(tǒng)是否工作在規(guī)定的工作限度之外，或者改進未來產品的設計。

　　一個恰當設計的數(shù)字電源管理系統(tǒng)可為用戶提供功耗數(shù)據，從而允許做出明智的能量管理決策，這些決策可用來降低總體功耗。數(shù)字電源并不能解決所有人的所有問題，不過，就多軌復雜系統(tǒng)和希望跟蹤電源系統(tǒng)狀態(tài)的原始設備制造商而言，數(shù)字電源是一種非常有用的工具。