利用數(shù)字電源系統(tǒng)管理降低數(shù)據(jù)中心的功耗

標(biāo)簽：DC/DC 轉(zhuǎn)換 DSP

具有數(shù)字管理功能的DC/DC轉(zhuǎn)換器將使得設(shè)計(jì)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(biāo)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(shí)降低總功耗。

好幾年以來，許多公司都對(duì)數(shù)字電源進(jìn)行了大肆的宣傳，有的公司認(rèn)為：數(shù)字電源包括數(shù)字功能和一個(gè)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(jī)。還有一些廠家指出：數(shù)字電源包括一個(gè)運(yùn)行某種算法(該算法用于補(bǔ)償控制環(huán)路)的通用型數(shù)字信號(hào)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(rèn)為：數(shù)字電源具有一個(gè)帶狀態(tài)機(jī)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(jì)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(shí)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(jì)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(diǎn)的壓力。與此同時(shí)，如何減少系統(tǒng)的總功耗也是其必需應(yīng)對(duì)的難題。在數(shù)據(jù)中心里，人們所面對(duì)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(jì)的數(shù)字電源管理系統(tǒng)能夠?yàn)橛脩籼峁┕臄?shù)據(jù)，這樣就可以做出靈活的能量管理決策。

在當(dāng)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(gè)“盲點(diǎn)”，因?yàn)橐话闱闆r下它們不具備對(duì)關(guān)鍵的操作參數(shù)進(jìn)行直接配置或遠(yuǎn)程監(jiān)視的方法。對(duì)于可靠運(yùn)作而言，檢測穩(wěn)壓器輸出電壓的時(shí)間漂移或過熱狀況并據(jù)此采取相應(yīng)的行動(dòng)可以說是至關(guān)緊要的。設(shè)計(jì)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(bào)其運(yùn)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(jì)，則要求工程師仔細(xì)查看一條學(xué)習(xí)曲線，以了解怎樣通過計(jì)算機(jī)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(xí)新的程序設(shè)計(jì)軟件，而且每家提供數(shù)字電源器件的公司都有其獨(dú)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(diǎn)很重要。此外，他們還應(yīng)擁有一支信譽(yù)卓著的技術(shù)支持員工隊(duì)伍，這支隊(duì)伍具備在此類電源的設(shè)計(jì)過程中為客戶提供幫助所需的各種能力。

多軌板級(jí)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(gè)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(yùn)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(fù)載點(diǎn)(POL)DC/DC 轉(zhuǎn)換器是必不可少的。這些電源軌具有嚴(yán)格的排序、電壓準(zhǔn)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(chǔ)系統(tǒng)中有可能存在多達(dá)20個(gè)POL電壓軌，系統(tǒng)設(shè)計(jì)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(jì)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(chǔ)用于每個(gè)DC/DC 轉(zhuǎn)換器的特定配置，從而達(dá)到簡化設(shè)計(jì)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(gè)電源軌的電壓，并在某個(gè)電源軌超出其規(guī)定的安全操作限值范圍時(shí)立即采取保護(hù)措施。在數(shù)字電源系統(tǒng)中，可以在發(fā)生故障時(shí)通過PMBus 報(bào)警線路通知主機(jī)，并可將有關(guān)的電源軌關(guān)斷以對(duì)諸如ASIC 等受電器件實(shí)施保護(hù)。實(shí)現(xiàn)這種保護(hù)水平需要比較好的準(zhǔn)確度以及大約數(shù)十μs的響應(yīng)時(shí)間。

凌力爾特公司近期推出的LTC3880/-1 提供了高度準(zhǔn)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(shí)現(xiàn)了實(shí)時(shí)控制以及關(guān)鍵負(fù)載點(diǎn)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(zhǔn)混合信號(hào)數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換，可極其方便地實(shí)現(xiàn)電源系統(tǒng)的設(shè)計(jì)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(gè)大電流輸出的應(yīng)用原理圖(采用LTC3880)

LTC3880/-1可調(diào)節(jié)兩個(gè)獨(dú)立的輸出，或配置為兩相單輸出。多達(dá)6相可以交錯(cuò)和并聯(lián)，以在多個(gè)IC之間實(shí)現(xiàn)準(zhǔn)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(gè)板載差分放大器提供了真正的遠(yuǎn)端輸出電壓采樣。集成型柵極驅(qū)動(dòng)器可從范圍為4.5V至24V的輸入電壓來驅(qū)動(dòng)全N溝道功率mOSFET，而且在整個(gè)工作溫度范圍內(nèi)，在輸出電流高達(dá)每相30A 時(shí)，該器件可產(chǎn)生準(zhǔn)確度為±0.50% 并高達(dá)5.5V的輸出電壓。LTC3880/-1 還可與電源模組和DRMOS 器件一起使用?？缍鄠€(gè)芯片的準(zhǔn)確定時(shí)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(gè)用于控制器和柵極驅(qū)動(dòng)電源的內(nèi)置LDO，而LTC3880-1則允許用外部偏置電壓實(shí)現(xiàn)最高效率。這兩款器件都采用耐熱性能增強(qiáng)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(biāo)準(zhǔn)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(biāo)準(zhǔn)命令之外，符合PMBus標(biāo)準(zhǔn)的器件還能夠執(zhí)行其特有的專用命令，以提供一種對(duì)POLDC/DC 轉(zhuǎn)換器進(jìn)行編程和監(jiān)視的創(chuàng)新型方法。該協(xié)議通過業(yè)界標(biāo)準(zhǔn)的SMBus 串行接口來執(zhí)行，并實(shí)現(xiàn)了功率轉(zhuǎn)換產(chǎn)品的編程、控制和實(shí)時(shí)監(jiān)視。命令語言和數(shù)據(jù)格式標(biāo)準(zhǔn)化可實(shí)現(xiàn)簡易的固件開發(fā)，從而加快了產(chǎn)品的面市進(jìn)程。如需了解更多信息，請(qǐng)登錄http://pmbus.org 網(wǎng)站查詢。