數(shù)字電源系統(tǒng)管理如何消除盲點(diǎn)

　　網(wǎng)絡(luò)設(shè)備的系統(tǒng)設(shè)計(jì)師正被迫提高系統(tǒng)的數(shù)據(jù)吞吐量和性能，也在被迫增加功能。同時(shí)，他們也面臨著降低系統(tǒng)總體功耗的壓力。數(shù)據(jù)中心的挑戰(zhàn)是，重新安排工作流程，將作業(yè)轉(zhuǎn)移到未充分利用的服務(wù)器上，從而允許其他服務(wù)器關(guān)機(jī)，以此降低總體功耗。為了滿足這些需求，知道最終用戶設(shè)備的功耗是至關(guān)重要的。一個(gè)設(shè)計(jì)得當(dāng)?shù)臄?shù)字電源管理系統(tǒng)能為用戶提供功耗數(shù)據(jù)，從而允許智能地做出能源管理決策。

　　多軌電路板級(jí)電源系統(tǒng)

　　大多數(shù)嵌入式系統(tǒng)都是通過(guò)48V背板供電的。這個(gè)電壓通常降壓至較低的中間總線電壓(如12V)，以給系統(tǒng)內(nèi)機(jī)架的電路板供電。不過(guò)，這些電路板上的大多數(shù)子電路或IC都要求在低于1～3.3V的電壓范圍內(nèi)、以數(shù)十mA至數(shù)百A的電流工作。因此，需要負(fù)載點(diǎn)(POL)DC/DC轉(zhuǎn)換器，以從中間總線電壓降壓至子電路或IC所需要的電壓。這些軌通常對(duì)排序、電壓準(zhǔn)確度、裕度調(diào)節(jié)和監(jiān)察有嚴(yán)格要求。

　　在一個(gè)數(shù)據(jù)通信、電信或存儲(chǔ)系統(tǒng)中，有多達(dá)20個(gè)POL電壓軌的情況并非不常見，因此系統(tǒng)設(shè)計(jì)師需要一種簡(jiǎn)單的方法來(lái)管理這些軌的輸出電壓、排序和最大可允許電流要求。很多處理器都要求I/O電壓先于內(nèi)核電壓上升，而某些DSP則要求內(nèi)核電壓先于I/O電壓上升。斷電排序也是必要的。因此，設(shè)計(jì)師需要非常容易地進(jìn)行更改，以優(yōu)化系統(tǒng)性能，并需要為每一個(gè)DC/DC轉(zhuǎn)換器儲(chǔ)存一套特定配置，以簡(jiǎn)化設(shè)計(jì)工作。

　　為了保護(hù)昂貴的ASIC免受可能出現(xiàn)的過(guò)壓情況的損害，高速比較器必須監(jiān)視每個(gè)軌的電壓值，而且如果某個(gè)軌超出了規(guī)定的安全工作限制，就立即采取保護(hù)行動(dòng)。在數(shù)字電源系統(tǒng)中，可以通過(guò)PMBus報(bào)警線通知主機(jī)發(fā)生了故障，而且可以關(guān)斷從屬軌，以保護(hù)受電器件(如ASIC)。要實(shí)現(xiàn)這一點(diǎn)，需要合理的準(zhǔn)確度和數(shù)十μs的響應(yīng)時(shí)間。

　　LTC3880/-1能提供高度準(zhǔn)確的數(shù)字電源系統(tǒng)管理，具高分辨率可編程性和快速遙測(cè)數(shù)據(jù)回讀，可實(shí)時(shí)控制并監(jiān)視關(guān)鍵的負(fù)載點(diǎn)轉(zhuǎn)換器功能。該器件是一款雙輸出、高效率、同步降壓型DC/DC控制器，提供基于I2C并具超過(guò)100條指令的PMBus接口和內(nèi)置的EEPROM。該器件兼有最佳的模擬開關(guān)穩(wěn)壓控制器和精準(zhǔn)混合信號(hào)數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換，可無(wú)與倫比地實(shí)現(xiàn)電源系統(tǒng)的易設(shè)計(jì)性和易管理性，并得到了具易用型圖形用戶界面(GUI)的LTpowerPlay軟件開發(fā)系統(tǒng)的支持。圖1顯示了一個(gè)典型的應(yīng)用原理圖。

　　圖1 典型的LTC3880應(yīng)用原理圖

　　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，從而最大限度地降低了對(duì)大電流或多輸出應(yīng)用的輸入和輸出濾波要求。內(nèi)置的差分放大器提供真正的遠(yuǎn)端輸出電壓采樣。集成的柵極驅(qū)動(dòng)器在4.5～24V的輸入電壓范圍內(nèi)為所有N溝道功率MOSFET供電。該器件可在整個(gè)工作溫度范圍內(nèi)，以每相高達(dá)30A的輸出電流產(chǎn)生高達(dá)5.5V，而輸出電壓的準(zhǔn)確度為±0.50%。涵蓋多個(gè)芯片的準(zhǔn)確定時(shí)和基于事件的排序允許復(fù)雜的多軌系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)加電和斷電優(yōu)化。LTC3880有一個(gè)內(nèi)置LDO，為控制器和柵極驅(qū)動(dòng)器供電，而LTC3880-1允許使用一個(gè)外部偏置電壓，以實(shí)現(xiàn)最高效率。這兩款器件都采用耐熱增強(qiáng)型6mm×6mm QFN-40封裝。

　　控制接口用于數(shù)字電源系統(tǒng)管理

　　開發(fā)PMBus指令語(yǔ)言的目的是滿足大型多軌系統(tǒng)的需求，PMBus是一種開放的標(biāo)準(zhǔn)電源管理協(xié)議，采用全面定義的指令語(yǔ)言，為與電源轉(zhuǎn)換器、電源管理器件和系統(tǒng)主處理器通信提供了方便。除了一套定義完備的標(biāo)準(zhǔn)指令，PMBus兼容設(shè)備還可以采用自己的專門指令，以為設(shè)定和監(jiān)視POL DC/DC轉(zhuǎn)換器提供創(chuàng)新性方法。該協(xié)議通過(guò)業(yè)界標(biāo)準(zhǔn)SMBus串行接口實(shí)現(xiàn)，可設(shè)定、控制和實(shí)時(shí)監(jiān)視電源轉(zhuǎn)換產(chǎn)品。指令語(yǔ)言和數(shù)據(jù)格式標(biāo)準(zhǔn)化允許非常容易地開發(fā)固件，從而加速了產(chǎn)品上市。

　　LTC3880/-1的可編程控制參數(shù)包括輸出電壓、裕度調(diào)節(jié)、電流限制、輸入和輸出監(jiān)察限制、上電排序和跟蹤、開關(guān)頻率，以及識(shí)別和可跟蹤性數(shù)據(jù)。內(nèi)置的精準(zhǔn)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(cè)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(duì)這些設(shè)定值和變量值進(jìn)行非易失性存儲(chǔ)。表1顯示了一些可用 LTC3880/-1設(shè)定的參數(shù)、該器件的高分辨率遙測(cè)回讀能力，以及同類可替代解決方案的分辨率和準(zhǔn)確度。

　　LTC3880/-1的配置非常容易通過(guò)該器件的I2C串行接口保存到內(nèi)部EEPROM中。由于配置存儲(chǔ)在芯片中，所以該控制器可以自主上電，而無(wú)須增加主處理器的負(fù)擔(dān)。輸出電壓、開關(guān)頻率、相位和器件地址的缺省設(shè)定值可選擇通過(guò)外部電阻器分壓器配置。多種設(shè)計(jì)可以非常容易地在固件中校準(zhǔn)和配置，以為一系列應(yīng)用優(yōu)化單個(gè)硬件設(shè)計(jì)。

模擬控制環(huán)路

　　LTC3880/-1是一種數(shù)字可編程控制器，可實(shí)現(xiàn)很多種功能，如控制輸出電壓、電流限制設(shè)定點(diǎn)和排序，等等，該器件還有一個(gè)模擬反饋控制環(huán)路，以實(shí)現(xiàn)最佳環(huán)路穩(wěn)定性和瞬態(tài)響應(yīng)，且不會(huì)產(chǎn)生數(shù)字控制環(huán)路那樣的量化效應(yīng)。

　　圖2顯示了一個(gè)控制器IC的不同斜坡曲線，該IC具模擬反饋控制環(huán)路(LTC3880)和數(shù)字反饋控制環(huán)路。模擬環(huán)路有一個(gè)平滑的斜坡，而數(shù)字環(huán)路像一個(gè)階躍函數(shù)，可能導(dǎo)致以下問(wèn)題：穩(wěn)定性、較慢的瞬態(tài)響應(yīng)、在有些應(yīng)用中需要較大的輸出電容以及引起較大輸出紋波的數(shù)字環(huán)路量化效應(yīng)。

　　圖2 LTC3880的模擬控制環(huán)路和數(shù)字控制環(huán)路

　　圖3 LTC3880模擬環(huán)路與數(shù)字控制環(huán)路的瞬態(tài)響應(yīng)比較

　　此外，由于ADC、數(shù)字補(bǔ)償器和數(shù)字PWM的存在，因此視ADC分辨率和環(huán)路設(shè)計(jì)的不同而不同，數(shù)字控制環(huán)路的量化效應(yīng)額外增大了輸出紋波的電壓。對(duì)比之下，模擬控制環(huán)路沒(méi)有這種額外增加的輸出紋波電壓。

　　結(jié)論

　　數(shù)字電源系統(tǒng)管理的主要優(yōu)點(diǎn)之一是設(shè)計(jì)成本的降低以及產(chǎn)品面市進(jìn)程的加快。采用一種具有直觀圖形用戶界面(GUI)的綜合開發(fā)環(huán)境，即可以高效地開發(fā)復(fù)雜的多電壓軌系統(tǒng)。另外，此類系統(tǒng)還可利用GUI(而不是焊接裝配)來(lái)進(jìn)行相關(guān)的調(diào)整，從而簡(jiǎn)化了在線測(cè)試(ICT)和電路板調(diào)試工作。

　　另一個(gè)益處是，由于有實(shí)時(shí)遙測(cè)數(shù)據(jù)可用，因此有可能預(yù)測(cè)電源系統(tǒng)的故障，并采取預(yù)防性措施。也許最重要的是，具數(shù)字管理功能的DC/DC轉(zhuǎn)換器允許設(shè)計(jì)師開發(fā)“綠色”電源系統(tǒng)，這類系統(tǒng)可重新安排工作流程，將作業(yè)轉(zhuǎn)移到未充分利用的服務(wù)器上，從而允許其他服務(wù)器關(guān)機(jī)，因此這類系統(tǒng)能決定何時(shí)降低總體功耗，以滿足目標(biāo)性能要求。數(shù)字電源系統(tǒng)管理可最大限度地降低負(fù)載點(diǎn)、電路板、機(jī)架甚至安裝時(shí)的能源消耗，從而降低了基礎(chǔ)設(shè)施成本和產(chǎn)品整個(gè)壽命期的總體成本。