整合數(shù)字電源管理和模擬控制環(huán)路的DC/DC控制器設(shè)計(jì)

數(shù)字電源管理

今天數(shù)據(jù)中心系統(tǒng)的挑戰(zhàn)是，盡可能提高系統(tǒng)所有層面的效率，包括負(fù)載點(diǎn)、電路板、機(jī)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(tǒng)的總體功耗。能做到這一點(diǎn)并達(dá)到系統(tǒng)性能目標(biāo)（計(jì)算速度、數(shù)據(jù)傳輸速率等）的惟一方式是，采用一個(gè)全面的數(shù)字電源管理系統(tǒng)，以實(shí)時(shí)監(jiān)視所有層面的功耗數(shù)據(jù)。

過(guò)去，設(shè)計(jì)師用一堆混雜的IC胡亂拼湊數(shù)字電源管理解決方案，這些IC包括監(jiān)察器、排序器、DAC和ADC。這類解決方案除了固有的復(fù)雜性以外，還不易擴(kuò)展，需要為未來(lái)的系統(tǒng)升級(jí)進(jìn)行大量前期規(guī)劃。LTC3883/LTC3883-1DC/DC控制器整合了所有數(shù)字電源管理功能，消除了上述復(fù)雜性，因此可構(gòu)成一個(gè)易用、堅(jiān)固和靈活的負(fù)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(biāo)準(zhǔn)的I2C串行總線，與系統(tǒng)主處理器通信，以獲取命令、實(shí)施控制并報(bào)告遙測(cè)數(shù)據(jù)。這使得可以直接從LTC3883/LTC3883-1監(jiān)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(tǒng)性能和可靠性。通過(guò)訪問(wèn)這些信息，能預(yù)測(cè)電源系統(tǒng)故障，并采取預(yù)防性或調(diào)解措施。

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

由于有了數(shù)字電源系統(tǒng)管理，所以能快速、高效地開(kāi)發(fā)復(fù)雜的多軌系統(tǒng)。LTpowerPlay?軟件使設(shè)計(jì)工作得到了進(jìn)一步簡(jiǎn)化，并能通過(guò)PC監(jiān)視電路板和調(diào)節(jié)參數(shù)。這就使設(shè)計(jì)師能進(jìn)行調(diào)試和在線測(cè)試（ICT），而無(wú)需重新給電路板布線或更換組件。

圖1：采用LTC3883實(shí)現(xiàn)的數(shù)字電源系統(tǒng)管理

圖2：具DCR檢測(cè)的高效率500kHz1.8V降壓型轉(zhuǎn)換器

INTERFACE：接口

圖3：采用LTpowerPlay軟件的完整開(kāi)發(fā)平臺(tái)

USBtoPMBusController：USB至PMBus控制器

DemoBoard：演示電路板

SocketedProgrammingBoard：插座式設(shè)置電路板

CustomerBoardwithLTC3883/LTC3883-1：采用LTC3883/LTC3883-1的客戶電路板

DemonstrationKit：演示工具包

Or：或

SocketedProgramming：通過(guò)插座式設(shè)置

In-CircuitSerialProgramming：通過(guò)串行總線在線設(shè)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(qū)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(nèi)設(shè)定，如果有外部振蕩器可用，那么內(nèi)部鎖相環(huán)能使LTC3883/LTC3883-1與相同范圍內(nèi)的任何頻率同步。

LTC3883/LTC3883-1具有優(yōu)化的柵極驅(qū)動(dòng)器死區(qū)時(shí)間，以最大限度地降低開(kāi)關(guān)損耗和體二極管傳導(dǎo)，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(zhǔn)、12位DAC和溫度補(bǔ)償模擬電流模式控制環(huán)路產(chǎn)生±0.5%的DC輸出電壓準(zhǔn)確度，集成的高壓側(cè)輸入電流檢測(cè)放大器允許準(zhǔn)確的輸入電流檢測(cè)和電感器DCR自動(dòng)校準(zhǔn)。

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

LTC3883的特點(diǎn)是內(nèi)置了一個(gè)LDO穩(wěn)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(qiáng)型32引線5mmx5mmQFN封裝，工作節(jié)溫范圍或者為-40°C至105°C（E級(jí)）或者為-40°C至125°C（I級(jí)）。

PMBus控制

LTC3883/LTC3883-1PMBus接口允許以數(shù)字方式設(shè)定關(guān)鍵的電源參數(shù)以及重要的實(shí)時(shí)狀態(tài)數(shù)據(jù)回讀。運(yùn)用凌力爾特的LTpowerPlay開(kāi)發(fā)軟件，可以將配置參數(shù)下載到內(nèi)部EEPROM中。圖5顯示了基于PC的LTpowerPlay開(kāi)發(fā)平臺(tái)，該平臺(tái)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(jī)控制，因此無(wú)需額外的固件或微控制器。

通過(guò)PMBus可以設(shè)定以下電源參數(shù)：

輸出電壓和裕度電壓

基于電感器溫度的溫度補(bǔ)償電流限制門(mén)限

開(kāi)關(guān)頻率

過(guò)壓和欠壓高速監(jiān)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(duì)內(nèi)部/外部故障的響應(yīng)

故障傳播

PMBus使用戶能監(jiān)視以下電源狀態(tài)：

輸出/輸入電壓

輸出/輸入電流

內(nèi)部芯片溫度

外部電感器溫度

器件狀態(tài)

故障狀態(tài)

系統(tǒng)狀態(tài)

峰值輸出電流

峰值輸出電壓

峰值內(nèi)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(shù)字可編程的，包括輸出電壓、電流限制設(shè)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(shù)字控制環(huán)路那樣的量化效應(yīng)，從而提供最佳環(huán)路穩(wěn)定性和瞬態(tài)響應(yīng)。

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(shù)字反饋控制環(huán)路的控制器IC之上升曲線。模擬環(huán)路是平滑上升的，而數(shù)字環(huán)路有一個(gè)一個(gè)的步進(jìn)，由于量化效應(yīng)，這可能導(dǎo)致穩(wěn)定性問(wèn)題、更慢的瞬態(tài)響應(yīng)、在有些應(yīng)用中需要更大的輸出電容以及在PWM控制信號(hào)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(wěn)定性、逐周期電流限制以及快速和準(zhǔn)確的電壓及負(fù)載瞬態(tài)響應(yīng)。簡(jiǎn)單的環(huán)路補(bǔ)償不受工作狀態(tài)和轉(zhuǎn)換器配置的影響。該器件還支持連續(xù)、斷續(xù)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(shù)字控制環(huán)路的對(duì)比。模擬環(huán)路具有平滑的上升曲線，而數(shù)字環(huán)路有一個(gè)一個(gè)的步進(jìn)，由于量化效應(yīng)，這可能導(dǎo)致穩(wěn)定性問(wèn)題、更慢的瞬態(tài)響應(yīng)、在有些應(yīng)用中需要更大的輸出電容以及在PWM控制信號(hào)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(shù)字控制環(huán)路

DIGITALRAMP：數(shù)字斜坡

電感器DCR的自動(dòng)校準(zhǔn)

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