數(shù)字電源系統(tǒng)管理降低了數(shù)據(jù)中心的功耗

　　背景

　　好幾年以來，許多公司都對數(shù)字電源進行了大肆的宣傳，有的公司認為：數(shù)字電源包括數(shù)字功能和一個帶電源的通信鏈路。另有一些公司則表示：數(shù)字電源是一種具有一顆采用數(shù)字脈寬調(diào)制 (PWM) 內(nèi)置芯片的狀態(tài)機。還有一些廠家指出：數(shù)字電源包括一個運行某種算法 (該算法用于補償控制環(huán)路) 的通用型數(shù)字信號處理器 (DSP)，而且僅僅依靠一根串行總線并不能提供數(shù)字電源解決方案。甚至有其他公司認為：數(shù)字電源具有一個帶狀態(tài)機或 DSP 的數(shù)字 PWM 環(huán)路。所有這些描述都可以說是令人大惑不解、無所適從，而且部分此類方法并不能產(chǎn)生優(yōu)良的性能。但是，在數(shù)字電源設(shè)計正確的情況下，它就能夠降低數(shù)據(jù)中心的功耗、縮短產(chǎn)品的面市時間、擁有卓越的穩(wěn)定性和瞬態(tài)響應(yīng)性能、并提高總體系統(tǒng)的可靠性 (比如在網(wǎng)絡(luò)設(shè)備中)。

　　網(wǎng)絡(luò)設(shè)備的系統(tǒng)設(shè)計師正面臨著提升其系統(tǒng)的數(shù)據(jù)吞吐量和性能并增加功能及特點的壓力。與此同時，如何減少系統(tǒng)的總功耗也是其必需應(yīng)對的難題。在數(shù)據(jù)中心里，人們所面對的挑戰(zhàn)是需要通過重新編排工作流程并將某些任務(wù)轉(zhuǎn)移至那些工作量不足的服務(wù)器 (從而可將其他的服務(wù)器關(guān)斷) 來降低總功耗。為了滿足這些需求，了解終端用戶設(shè)備的功耗是非常重要的。正確設(shè)計的數(shù)字電源管理系統(tǒng)能夠為用戶提供功耗數(shù)據(jù)，這樣就可以做出靈活的能量管理決策。

　　在當今的新式電子系統(tǒng)中，穩(wěn)壓器的狀態(tài)或許是所剩的最后一個“盲點”，因為一般情況下它們不具備對關(guān)鍵的操作參數(shù)進行直接配置或遠程監(jiān)視的方法。對于可靠運作而言，檢測穩(wěn)壓器輸出電壓的時間漂移或過熱狀況并據(jù)此采取相應(yīng)的行動可以說是至關(guān)緊要的。設(shè)計精良的數(shù)字電源系統(tǒng)管理 (DPSM) 方案能夠監(jiān)視穩(wěn)壓器的性能并匯報其運行狀況，以在其超出規(guī)格范圍甚至發(fā)生故障之前采取糾正措施。

　　如欲把 DPSM 用于穩(wěn)壓器和電源設(shè)計，則要求工程師仔細查看一條學(xué)習曲線，以了解怎樣通過計算機上的圖形用戶界面 (GUI) 來完成此類器件的編程和連接。這包括學(xué)習新的程序設(shè)計軟件，而且每家提供數(shù)字電源器件的公司都有其獨特的軟件包。因此，應(yīng)選擇一家擁有經(jīng)過縝密思考和用戶友好型軟件包及 GUI 的公司，這一點很重要。此外，他們還應(yīng)擁有一支信譽卓著的技術(shù)支持員工隊伍，這支隊伍具備在此類電源的設(shè)計過程中為客戶提供幫助所需的各種能力。

　　多軌板級電源系統(tǒng)

　　大多數(shù)嵌入式系統(tǒng)均通過一塊 48V 背板來供電。一般將該電壓降壓至一個較低的中間總線電壓 (通常為 12V 至 3.3V)，以為系統(tǒng)內(nèi)部的電路板支架供電。然而，這些電路板上的子電路或 IC 需要在低于 1V 至 3.3V 的電壓范圍以及數(shù)十 mA 至數(shù)百 A 的電流范圍內(nèi)運作。因此，為了將中間總線電壓降壓至子電路或 IC 所需的期望電壓，負載點 (POL) DC/DC 轉(zhuǎn)換器是必不可少的。這些電源軌具有嚴格的排序、電壓準確度、裕度調(diào)節(jié)和監(jiān)控要求。

　　在數(shù)據(jù)通信、電信或存儲系統(tǒng)中有可能存在多達 20 個 POL 電壓軌，系統(tǒng)設(shè)計師需要一種按照其輸出電壓、排序和最大可容許電流來管理這些電壓軌的簡單方法。某些處理器要求其 I/O 電壓在其內(nèi)核電壓之前上升，而有些 DSP 則要求其內(nèi)核電壓先于其 I/O 電壓上升。斷電排序也是不可或缺的。設(shè)計人員需要一種簡便易行的調(diào)整方法以優(yōu)化系統(tǒng)性能并存儲用于每個 DC/DC 轉(zhuǎn)換器的特定配置，從而達到簡化設(shè)計工作的目的。

　　為了避免昂貴 ASIC 遭受過壓情況的可能性，高速比較器必須監(jiān)視每個電源軌的電壓，并在某個電源軌超出其規(guī)定的安全操作限值范圍時立即采取保護措施。在數(shù)字電源系統(tǒng)中，可以在發(fā)生故障時通過 PMBus 報警線路通知主機，并可將有關(guān)的電源軌關(guān)斷以對諸如 ASIC 等受電器件實施保護。實現(xiàn)這種保護水平需要比較好的準確度以及大約數(shù)十 μs 的響應(yīng)時間。

　　凌力爾特公司近期推出的 LTC®3880/-1 提供了高度準確的數(shù)字電源系統(tǒng)管理，并利用其高分辨率可編程性及快速遙測回讀實現(xiàn)了實時控制以及關(guān)鍵負載點轉(zhuǎn)換器功能的監(jiān)視。該器件是一款雙通道輸出、高效率同步降壓型 DC/DC 控制器，具有基于 I2C 的 PMBus 接口以及 100 多條命令和板載 EEPROM。LTC3880/-1 兼有同類最佳的模擬開關(guān)穩(wěn)壓控制器性能和精準混合信號數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換，可極其方便地實現(xiàn)電源系統(tǒng)的設(shè)計和管理，該器件得到了具有易用型圖形用戶界面 (GUI) 的 LTpowerPlayTM 軟件開發(fā)系統(tǒng)支持。圖 1 示出了典型的 LTC3880 應(yīng)用原理圖。

　　圖 1：具有兩個大電流輸出的應(yīng)用原理圖 (采用 LTC3880)

　　LTC3880/-1 可調(diào)節(jié)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，從而最大限度地為大電流或多輸出應(yīng)用降低輸入和輸出濾波要求。一個板載差分放大器提供了真正的遠端輸出電壓采樣。集成型柵極驅(qū)動器可從范圍為 4.5V 至 24V 的輸入電壓來驅(qū)動全 N 溝道功率 MOSFET，而且在整個工作溫度范圍內(nèi)，在輸出電流高達每相 30A 時，該器件可產(chǎn)生準確度為 ±0.50% 并高達 5.5V 的輸出電壓。LTC3880/-1 還可與電源模組和 DRMOS 器件一起使用。跨多個芯片的準確定時和基于事件的排序允許優(yōu)化復(fù)雜和多軌系統(tǒng)的上電和斷電。LTC3880 具有一個用于控制器和柵極驅(qū)動電源的內(nèi)置 LDO，而 LTC3880-1 則允許用外部偏置電壓實現(xiàn)最高效率。這兩款器件都采用耐熱性能增強型 6mm x 6mm QFN-40 封裝。

　　用于數(shù)字電源系統(tǒng)管理的控制接口

　　PMBus 命令語言專為滿足大型多軌系統(tǒng)的需要而開發(fā)，是一種采用完全定義的命令語言的開放標準電源管理協(xié)議，可簡化與功率轉(zhuǎn)換器、電源管理器件及系統(tǒng)主處理器的通信。除了一組精確定義的標準命令之外，符合 PMBus 標準的器件還能夠執(zhí)行其特有的專用命令，以提供一種對 POL DC/DC 轉(zhuǎn)換器進行編程和監(jiān)視的創(chuàng)新型方法。該協(xié)議通過業(yè)界標準的 SMBus 串行接口來執(zhí)行，并實現(xiàn)了功率轉(zhuǎn)換產(chǎn)品的編程、控制和實時監(jiān)視。命令語言和數(shù)據(jù)格式標準化可實現(xiàn)簡易的固件開發(fā)，從而加快了產(chǎn)品的面市進程。如需了解更多信息，請登錄 http://pmbus.org 網(wǎng)站查詢。

　　LTC3880/-1 可編程控制參數(shù)包括輸出電壓、裕度調(diào)節(jié)、電流限值、輸入和輸出監(jiān)控限值、上電排序和跟蹤、開關(guān)頻率、識別及可追溯性數(shù)據(jù)。片內(nèi)精準數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換器和 EEPROM 允許收集穩(wěn)壓器配置設(shè)定值和遙測變量值，包括輸入和輸出電壓及電流、占空比、溫度以及故障記錄，并對這些設(shè)定值和變量進行非易失性存儲。下面的表 1 羅列了可采用 LTC3880/-1 進行編程的一些參數(shù)、其高分辨率、遙測回讀能力和替代解決方案。

　　表 1：某些 LTC3880/-1 可編程參數(shù)以及遙測回讀能力和準確度

　　LTC3880/-1 的配置可以很容易地通過器件的 I2C 串行接口保存到內(nèi)部EEPROM 中。由于配置存儲在芯片上，所以該控制器可以自主上電，而不會增加主處理器的負擔。輸出電壓、開關(guān)頻率、相位和器件地址的缺省設(shè)置可以選擇通過外部電阻分壓器進行配置。多種設(shè)計可以非常容易地在固件中校準和配置，以為一系列應(yīng)用優(yōu)化單個硬件設(shè)計。

　　模擬控制環(huán)路

　　LTC3880/-1 是一款適合眾多功能 (例如：輸出電壓、電流限制設(shè)定點和排序等等) 的數(shù)字式可編程 DC/DC 控制器，但它具有一個旨在實現(xiàn)最佳環(huán)路穩(wěn)定性和瞬態(tài)響應(yīng)的模擬反饋控制環(huán)路，而沒有數(shù)字控制環(huán)路的量化效應(yīng)。

　　圖 2 示出了采用模擬反饋控制環(huán)路和數(shù)字反饋控制環(huán)路時，控制器 IC 內(nèi)部不同的斜坡曲線。模擬環(huán)路具有一個平滑的斜坡，而數(shù)字環(huán)路則類似于一個階躍函數(shù) ━━ 這會引起穩(wěn)定性問題、減緩瞬態(tài)響應(yīng)速度、并在某些應(yīng)用中導(dǎo)致需要增加輸出電容，而且，數(shù)字環(huán)路的量化效應(yīng)將造成輸出紋波增大。

　　圖 2：LTC3880 的模擬控制環(huán)路與數(shù)字控制環(huán)路的比較

　　LTC3880 的模擬控制環(huán)路的優(yōu)點之一是它能夠采用比數(shù)字控制環(huán)路替代方案小 50% 的輸出電容，而且穩(wěn)定性更佳 (實現(xiàn)穩(wěn)定所需的時間較短)。此外，數(shù)字控制瞬態(tài)響應(yīng)在穩(wěn)定之前還會出現(xiàn)振蕩，這是由于量化效應(yīng)及其 ADC 分辨率的局限性所造成的。圖 3 示出模擬控制環(huán)路與數(shù)字控制環(huán)路的瞬態(tài)響應(yīng)之比較。

　　圖 3：25A 階躍時模擬控制環(huán)路與數(shù)字控制環(huán)路的瞬態(tài)響應(yīng)比較 (對于一個工作頻率為 400kHz 的 12VIN 至 1.2VOUT DC/DC 轉(zhuǎn)換器)

　　此外，因 ADC、數(shù)字補償器和數(shù)字 PWM 而產(chǎn)生的數(shù)字控制環(huán)路量化效應(yīng)還將給輸出紋波增加額外的電壓 (取決于 ADC 的分辨率和環(huán)路設(shè)計)。與此相反，模擬控制環(huán)路則不存在這種額外的輸出紋波電壓。

　　編程 LTpowerPlay 軟件和 GUI

　　LTC3880得到了具有易用型圖形用戶界面 (GUI) 的 LTpowerPlay 軟件開發(fā)系統(tǒng)的支持。圖 4 中給出的 GUI 截屏圖示出了多項功能的控制方法，例如：輸出電壓、保護限值、接通/關(guān)斷斜坡以及少量的波形 (包括多個電源軌的排序及遙測曲線)。這款強大的 GUI 軟件可從凌力爾特公司的網(wǎng)站免費下載，并能與其他的凌力爾特轉(zhuǎn)換器和監(jiān)控器件配合工作，以輕松快捷地開發(fā)多電壓軌系統(tǒng)。

　　圖 4：LTpowerPlay 的 GUI 截屏圖

　　結(jié)論

　　數(shù)字電源的主要優(yōu)點之一是具備預(yù)知電源系統(tǒng)故障并啟動保護性措施的潛力，這得益于實時遙測數(shù)據(jù)的提供。也許最重要的一點是：具有數(shù)字管理功能的 DC/DC 轉(zhuǎn)換器將使得設(shè)計人員能夠開發(fā)出“綠色”電源系統(tǒng)，此類電源系統(tǒng)可滿足目標性能、且能夠通過重新編排工作流程并將某些任務(wù)轉(zhuǎn)移至那些工作量不足的服務(wù)器 (從而可將其他的服務(wù)器關(guān)斷) 來確定何時降低總功耗。由于在負載點、電路板、支架、甚至安裝級上的能源使用量極少，因而有助于降低基礎(chǔ)設(shè)施成本以及產(chǎn)品生命周期中的總擁有成本。

　　數(shù)字電源系統(tǒng)管理的另一個優(yōu)點是能夠減低設(shè)計成本和加快產(chǎn)品的上市速度。通過采用一種具直觀的 GUI 集成開發(fā)環(huán)境，可以高效地開發(fā)復(fù)雜的多軌系統(tǒng)。此類系統(tǒng)還通過利用 GUI (而不是焊接裝配) 進行調(diào)整而簡化了在線測試 (ICT) 和電路板調(diào)試。

　　關(guān)于數(shù)字電源的定義及其優(yōu)點，如今的情況變得讓人迷惑不解。因此，數(shù)字電源的潛在用戶有必要就其希望實現(xiàn)的目標以及數(shù)字電源系統(tǒng)管理的優(yōu)點是否適合其產(chǎn)品和客戶而做好調(diào)查。他們必需確定自己所選擇的公司擁有高性能的模擬器件、廣受歡迎且易于使用的軟件包、以及一支受過良好教育、愿意為客戶提供所需幫助的技術(shù)支持隊伍。幸運的是，這樣的公司是存在的。