兼有數(shù)字電源和模擬控制的DC/DC 控制器設(shè)計(jì)

LTC3883 / LTC3883-1 是一款通用、單通道、多相 (PolyPhase)、降壓型控制器，具有數(shù)字電源系統(tǒng)管理、高性能模擬控制環(huán)路、內(nèi)置驅(qū)動(dòng)器、遠(yuǎn)程輸出電壓檢測(cè)和電感器溫度檢測(cè)功能。為了最大限度地減小解決方案尺寸和成本，LTC3883 / LTC3883-1 采用了凌力爾特公司正在申請(qǐng)專利的自動(dòng)校準(zhǔn)程序以測(cè)量電感器 DC 電阻，在跨電感器兩端逐周期測(cè)量電流時(shí) (無(wú)損耗 DCR 檢測(cè)) 得到準(zhǔn)確的輸出電流測(cè)量值。LTC3883/-1 基于流行的雙通道 LTC3880/-1。

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 / LTC3883-1 DC/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 500kHz 1.8V 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)

USB to PMBus Controller：USB 至 PMBus 控制器

Demo Board：演示電路板

Socketed Programming Board：插座式設(shè)置電路板

Customer Board with LTC3883/LTC3883-1：采用 LTC3883 / LTC3883-1 的客戶電路板

Demonstration Kit：演示工具包

Or：或

Socketed Programming：通過(guò)插座式設(shè)置

In-Circuit Serial Programming：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 V_IN 范圍和 0.5V 至 5.5V 的 V_OUT 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 5mm x 5mm QFN 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 / LTC3883-1 PMBus 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)償電流限制門限
• 開(kāi)關(guān)頻率
• 過(guò)壓和欠壓高速監(jiān)察器門限
• 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 (Burst Mode) 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)。

ANALOG CONTROL LOOP：模擬控制環(huán)路

ANALOG CURRENT WAVEFORM：模擬電流波形

FIXED：固定的

DIGITAL CONTROL LOOP：數(shù)字控制環(huán)路

DIGITAL RAMP：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導(dǎo)致成比例的誤差。

運(yùn)用凌力爾特正在申請(qǐng)專利的算法，LTC3883 / LTC3883-1 可以測(cè)量并補(bǔ)償電感器 DCR 與其標(biāo)稱值之間的容差。只要在該轉(zhuǎn)換器處于穩(wěn)定狀態(tài)且有足夠大的負(fù)載電流以準(zhǔn)確測(cè)量輸入和輸出電流時(shí)，通過(guò) PMBus 命令完成一個(gè)簡(jiǎn)單的 180ms 校準(zhǔn)程序即可。

LTC3883 / LTC3883-1 可準(zhǔn)確測(cè)量電感器溫度，以在整個(gè)工作溫度范圍內(nèi)保持準(zhǔn)確的電流回讀。LTC3883 動(dòng)態(tài)地建立從外部溫度傳感器到電感器磁芯的溫度上升模型，以了解電感器的自熱影響。這項(xiàng)正在申請(qǐng)專利的算法簡(jiǎn)化了外部溫度傳感器的放置要求，實(shí)現(xiàn)了極其穩(wěn)定的狀態(tài)，并補(bǔ)償了從電感器磁芯到主散熱器的瞬態(tài)溫度誤差。

多 IC 系統(tǒng)

大型多軌電源板通常由隔離式中間總線轉(zhuǎn)換器組成，該轉(zhuǎn)換器將來(lái)自背板的 -48V 電壓轉(zhuǎn)換成更低的中間總線電壓 (IBV)，典型值為 12V，該中間總線電壓被分配到 PC 板的各處。單獨(dú)的負(fù)載點(diǎn) (POL) DC-DC 轉(zhuǎn)換器將 IBV 降至所需的軌電壓，通常為 0.5V 至 5V，同時(shí)輸出電流的范圍為 0.5A 至 120A。這類電路板排列很密集，數(shù)字電源系統(tǒng)管理電路不能占用太多 PC 板面積。

凌力爾特的高性能 PMBus 控制器 (例如: LTC3883 / LTC3883-1) 和伴隨 IC (例如: LTC2978) 一起工作，可以高效率且無(wú)縫地滿足今天復(fù)雜電路板嚴(yán)格的數(shù)字電源管理要求。這些要求包括排序、電壓準(zhǔn)確度、過(guò)流和過(guò)壓限制、裕度控制、監(jiān)察以及故障控制。對(duì)任何數(shù)量的電源而言，這些器件的任意組合都能使排序設(shè)計(jì)變得非常容易。運(yùn)用基于時(shí)間的算法，用戶能以簡(jiǎn)單的可編程延遲，以任意順序?qū)壍慕油ê蛿嚅_(kāi)排序。運(yùn)用單線 SHARE_CLK 總線以及一個(gè)或多個(gè)雙向通用 IO (/GPIO) 引腳，可以跨多個(gè)芯片排序。

LTpowerPlay 軟件

LTpowerPlay 軟件使同時(shí)控制和監(jiān)視多個(gè)支持 PMBus 的凌力爾特器件變得容易了。將系統(tǒng)參數(shù)下載到 LTC3883 / LTC3883-1 的內(nèi)部 EEPROM 中，就可以實(shí)時(shí)修改該 DC/DC 控制器的配置。這允許用軟件調(diào)整系統(tǒng)配置，而不必完成要求苛刻的任務(wù)，例如更換組件、手動(dòng)地給電路板重新布線等，因此節(jié)省了設(shè)計(jì)開(kāi)發(fā)時(shí)間。圖 5 顯示的是如何控制輸出電壓、OV/UV 保護(hù)限制以及接通/斷開(kāi)斜坡。波形顯示了輸出電壓的軟啟動(dòng)和軟停止。圖中也顯示了警報(bào)和故障情況。

圖 5：電源系統(tǒng)得到簡(jiǎn)化。LTpowerPlay 使全面的電源控制觸手可及

結(jié)論

LTC3883 / LTC3883-1 兼有高性能模擬開(kāi)關(guān)調(diào)節(jié)和精準(zhǔn)的數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換以及靈活的數(shù)字接口。多個(gè) LTC3883 可以與其他器件并聯(lián)使用，以方便地建立優(yōu)化的多軌數(shù)字電源系統(tǒng)。

LTpowerPlay 軟件開(kāi)發(fā)系統(tǒng)支持所有凌力爾特 PMBus 產(chǎn)品，這有助于電路板設(shè)計(jì)師快速調(diào)試系統(tǒng)。LTpowerPlay 可用來(lái)監(jiān)視、控制和調(diào)節(jié)電源電壓、限制值及排序。只用幾條標(biāo)準(zhǔn) PMBus 命令，就可以非常容易地進(jìn)行生產(chǎn)裕度測(cè)試。整合 LTC3883 / LTC3883-1 和其他凌力爾特 PMBus 產(chǎn)品，是快速將數(shù)字控制的電源推向市場(chǎng)的最佳途徑。