電源管理 IC 以數(shù)字方式監(jiān)視和控制 8 個電源

　　引言

　　當今的高可靠性系統(tǒng)需要采用復(fù)雜的數(shù)字電源管理解決方案對大量的電壓軌進行排序、監(jiān)控、監(jiān)視和裕度調(diào)節(jié)。的確，如今一塊應(yīng)用電路板具有幾十個電壓軌的情況并不少見，這些電壓軌各具自己獨特的要求。通常，面向這些系統(tǒng)的電源解決方案要求把多個受控于一個 FPGA 或微控制器的分立器件散布在電路板的周圍，以對電源陣列進行排序、監(jiān)控、監(jiān)視和裕度調(diào)節(jié)。在此類方案中，開發(fā)必要的固件需耗費大量的時間，而低估這項任務(wù)的復(fù)雜性與完成周期的傾向是普遍存在的。

　　具 EEPROM 的 LTC®2978 8通道數(shù)字電源管理器可為電源系統(tǒng)設(shè)計人員提供一款集成型模塊化解決方案，其調(diào)試時間和工作量相比于微控制器解決方案有所減少。LTC2978 能夠?qū)Χ噙_ 8 個電源進行接通和關(guān)斷排序、監(jiān)視、監(jiān)控、裕度調(diào)節(jié)及修整。采用單線式共享時鐘總線及一個或多個雙向故障引腳，可以容易地級聯(lián)多個 LTC2978 (圖 1 示出了一種典型應(yīng)用)。

　　圖 1：LTC2978 的典型應(yīng)用電路

　　此外，LTC2978 還使用了一個受保護的非易失性存儲器，用于記錄發(fā)生關(guān)鍵性系統(tǒng)故障時的系統(tǒng)電壓和故障信息。通過把關(guān)鍵性的系統(tǒng)數(shù)據(jù)保存于非易失性存儲器中，用戶就能在系統(tǒng)開發(fā)、測試調(diào)試或故障分析的過程中發(fā)現(xiàn)故障電壓軌并隔離電路板故障的成因。

　　LTC2978 采用了業(yè)界標準的 PMBus 命令協(xié)議，旨在簡化固件開發(fā)。不過，LTC2978 最重要的特性是其高精度集成型基準和 15 位ΔΣ ADC 可在測量或調(diào)節(jié)電源電壓時提供 ±0.25% 的絕對準確度。

　　LTC2978 贏得成功的關(guān)鍵在于凌力爾特的 LTpowerPlayTM，這是一種免費的可下載圖形 PC 界面，可在設(shè)計與測試過程中方便與器件的互動。LTpowerPlay 為使用 LTC2978 的特性提供了一種簡單易用卻功能強大的配置工具。另外，LTpowerPlay 設(shè)計工具還將支持凌力爾特公司今后推出的數(shù)字電源管理器件。

　　借助精準的裕度測試來改善制造良率

　　系統(tǒng)電壓的裕度測試是根除高可靠性系統(tǒng)中早期故障的一種有效的方法。通常情況下，為了保證在測系統(tǒng)擁有在現(xiàn)場可靠操作的足夠堅固性，電壓的裕度至少為 ±5%。然而，視系統(tǒng)容限的不同，這種方法會導致過多的測試失敗 (test fallout)。假如上述的電源電壓容限嚴緊一點的話，那么這些測試不合格中有很多本來是可以避免的。

　　憑借其高精度基準、多路復(fù)用 15 位 ADC、8 個裕度 DAC 和集成伺服算法，LTC2978 為應(yīng)對這一問題提供了一種使用較為簡單但功能十分強大的解決方案。通過簡單地寫入一個用于修整或裕度調(diào)節(jié)至某個特定電壓的 I2C 命令，LTC2978 便可在規(guī)定的軟件和硬件限制范圍內(nèi)調(diào)節(jié) DC/DC 負載點轉(zhuǎn)換器，以提供絕對準確度達 ±0.25% 的命令輸出電壓。

　　裕度 DAC 輸出通過一個電阻器連接至 DC/DC POL 轉(zhuǎn)換器的反饋節(jié)點或修整輸入。該電阻器的阻值設(shè)定了輸出電壓的裕度調(diào)節(jié)范圍限值，這是軟件控制型電源的一個重要的限制因素。10 位裕度 DAC 的另一個顯著的優(yōu)勢是其能在進行電壓裕度調(diào)節(jié)時實現(xiàn)非常精細的分辨率。這使其能夠從故障測試中提取有用的數(shù)據(jù)，這與在垃圾桶里堆滿了故障板卻又沒有對其徹底了解的情況截然相反。

　　靈活的電源排序和故障管理

　　許多傳統(tǒng)的電源排序解決方案依賴于比較器和菊鏈式 PCB 接線。雖然這種方法對于少數(shù)電源而言實現(xiàn)起來相對容易，但隨著電壓軌數(shù)目的增加，使其復(fù)雜性迅速攀升，而且面對規(guī)格的變更會導致靈活性相對欠佳。另外，運用這種方法實現(xiàn)關(guān)斷排序也是極為困難的。

　　無論電源的數(shù)目多少，LTC2978 均可使其排序變得容易。通過采用一種基于時間的算法，用戶能夠以任意順序進行接通和關(guān)斷的動態(tài)排序 (見圖 2)。多個 LTC2978 的排序也可使用單線式共享時鐘總線及一個或多個雙向故障引腳來實現(xiàn)。由于能以任意順序進行通道的排序 (而與由哪一個 LTC2978 提供控制無關(guān))，因此該方法極大地簡化了系統(tǒng)設(shè)計。而且，以后還可增加更多的 LTC2978，而無需擔心諸如子板卡連接器引腳的電源受限等系統(tǒng)限制條件。

　　圖 2：排序及裕度調(diào)節(jié)實例

　　接通排序可應(yīng)多種條件而被觸發(fā)。例如：當下游 DC/DC POL 轉(zhuǎn)換器的中間總線電壓超過某個特定的接通電壓時，LTC2978 將執(zhí)行自動排序?；蛘撸油ㄅ判蛞材軌驊?yīng)控制引腳輸入的上升沿或下降沿而啟動。另外，排序還可利用一個簡單的 I2C 命令來啟動。LTC2978 支持這些條件的任意組合。

　　雙向故障引腳可用于通道之間各種不同的故障響應(yīng)相關(guān)性。比如：在發(fā)生短路的情況下，可以中斷一個或多個通道的接通排序。當某個電源軌上電時，欠壓監(jiān)控器功能將被啟用 (過壓功能始終處于啟用狀態(tài))。電壓監(jiān)控器的過壓和欠壓門限以及響應(yīng)時間都是可編程的。此外，還對輸入電壓和溫度進行了監(jiān)視。如果這些參數(shù)中的任一種超過其“過 / 欠”限值，則客戶可從眾多的故障響應(yīng)中進行選擇。具體的實例包括立即鎖斷、去抖動鎖斷以及具重試功能的鎖斷。

　　該器件內(nèi)置了一個集成型看門狗定時器，用于對外部微控制器實施監(jiān)控?？商峁﹥煞N超時間隔：初始看門狗間隔和后續(xù)間隔。這使得能夠在緊接著電源良好信號被置為有效之后為微控制器規(guī)定一個較長的超時間隔。倘若發(fā)生看門狗故障，則可把 LTC2978 配置為在一個預(yù)定的時間之內(nèi)使微控制器復(fù)位，而后重新將電源良好輸出置為有效。

　　多層面的遠端采樣 (Multifaceted Telemetry)

　　LTC2978 在其寄存器中預(yù)備了多種遠端采樣數(shù)據(jù)。多路復(fù)用的 15 位ΔΣ ADC負責監(jiān)視輸入和輸出電壓及片內(nèi)溫度，并存儲所有電壓和溫度讀數(shù)的最小值與最大值。此外，還可對用于奇數(shù)輸出通道的 ADC 輸入進行重新配置，以測量檢測電阻器電壓。在此模式中，該 ΔΣ ADC 能夠分辨低至 15.3μV 的電壓，當試圖利用電感器 DCR 電路來測量電流時，這一點是寶貴的。

　　雖然 LTC2978 可依靠一個 3.0V 至 3.6V 電源直接供電，但 ADC 能接受高達 6V 的輸入電壓 —— 無需擔憂體二極管或極不穩(wěn)定的待機電源電壓。而且，利用其內(nèi)部穩(wěn)壓器，LTC2978 還能夠依靠一個 4.5V 至 15V 的輸入電源來運行。提供了一個單獨的高電壓 (最大值為 15V) 檢測輸入，用于測量受控于 LTC2978 的 DC/DC POL 轉(zhuǎn)換器的輸入電源電壓。

　　黑匣子數(shù)據(jù)記錄器

　　當某個通道因故障響應(yīng)而被停用時，LTC2978 的數(shù)據(jù)日志可被轉(zhuǎn)儲至受保護的 EEPROM 中。這個 255 字節(jié)的數(shù)據(jù)塊將被保存在 NVM (非易失性存儲器) 之中，直到由 I2C 命令將其清除為止。該數(shù)據(jù)塊包含了故障發(fā)生之前 500ms 的輸出和輸入電壓及溫度數(shù)據(jù)，還有對應(yīng)的最小值與最大值。另外，自上一次系統(tǒng)復(fù)位之后的狀態(tài)寄存器值和總的正常運行時間也存儲在數(shù)據(jù)日志之中。

　　數(shù)據(jù)日志的內(nèi)容可采用 LTpowerPlay設(shè)計工具查看。這樣，LTC2978 便提供了在關(guān)鍵性故障發(fā)生前一刻電源系統(tǒng)的完整瞬間狀態(tài)信息，從而可在故障發(fā)生之后很好地查出故障的成因。對于首批樣機的調(diào)試及現(xiàn)場故障而言，這是一項非常寶貴的特性。

　　圖形用戶界面和 PMBus

　　凌力爾特公司基于 PC 的易用型 LTpowerPlay 圖形用戶界面 (GUI) 允許用戶通過一塊 USB 至 PMBus 接口板對 LTC2978 進行在線配置和編程 (見圖 3)。該 GUI 免費且可下載，免除了開發(fā)過程中大量的代碼編寫工作，并通過允許設(shè)計人員在一個直觀框架內(nèi)配置所有器件參數(shù)以加快產(chǎn)品的上市進程。一旦選定了器件配置，設(shè)計人員即可把參數(shù)保存在一個文件中，并與一個 BPM Micro 編程器一起發(fā)送給合同制造商或授權(quán)分銷商進行預(yù)編程。

　　圖 3： LTpowerPlay 交互式 GUI

　　LTC2978 采用業(yè)界標準的 PMBus 接口協(xié)議，該協(xié)議是 I2C 兼容型 SMBus 標準的一個擴展集。PMBus 是一種開放式且被廣泛采用的標準，它明確定義了用于單獨 DC/DC POL 轉(zhuǎn)換器的數(shù)字電源管理協(xié)議。LTC2978 支持大量的 PMBus 命令。另外，該器件還具有一些 DC/DC 轉(zhuǎn)換器制造商的專用命令，旨在保持低復(fù)雜性和高通用性。

　　結(jié)論

　　憑借其前所未有的參數(shù)準確度、豐富的特性集和模塊化架構(gòu)，LTC2978 成為一款適合管理各種終端市場中眾多 DC/DC POL 轉(zhuǎn)換器的理想解決方案，從醫(yī)療、工業(yè)、計算機、視頻和通信到消費類等一應(yīng)俱全。

　　業(yè)界標準的 PMBus 接口、功能強大的 LTpowerPlay GUI 和集成型 EEPROM 使得能夠針對所有應(yīng)用進行 LTC2978 的客戶化設(shè)計。設(shè)計人員可采用基于 PC 的圖形界面來配置器件，并將器件的配置上傳至凌力爾特公司。據(jù)此，凌力爾特就能提供針對特定應(yīng)用而定制的即用型預(yù)編程器件。

　　LTC2978 的其他特點包括一個集成型高精度基準、一個多路復(fù)用15位 ΔΣ ADC、8 個 10 位電壓緩沖 DAC、8 個具可編程門限和響應(yīng)時間的過壓和欠壓 10 位電壓監(jiān)控器、以及一個用于存儲配置參數(shù)和故障記錄信息的集成型 EEPROM。LTC2978 采用 64 引腳 9mm x 9mm QFN 封裝。