系統(tǒng)設(shè)計(jì)師的數(shù)字電源研究

數(shù)字電源在什么情況下有意義

用簡(jiǎn)單的 PC 連接對(duì)模擬電源進(jìn)行數(shù)字控制在開(kāi)發(fā)階段尤其有用，在這一階段，設(shè)計(jì)師需要讓系統(tǒng)快速進(jìn)入正常運(yùn)行狀態(tài)。有可能有超過(guò) 20 個(gè) POL電壓軌，而且用戶(hù)需要能非常容易地調(diào)節(jié)電源電壓、從低到高/從高到低給電源排序、設(shè)定工作電壓限制以及讀取電壓、電流或溫度等參數(shù)，還需要通過(guò)數(shù)字接口訪(fǎng)問(wèn)詳細(xì)的故障記錄。在這類(lèi)系統(tǒng)中，要保持對(duì)電壓軌的嚴(yán)格控制并實(shí)現(xiàn)最高性能，高準(zhǔn)確度極其重要。

在今天的新式電子系統(tǒng)中，了解穩(wěn)壓器的環(huán)境條件和工作狀態(tài)也許是仍然存在的最后一個(gè)“盲點(diǎn)”，因?yàn)橥ǔ](méi)有辦法直接配置或遠(yuǎn)程監(jiān)視關(guān)鍵工作參數(shù)。檢測(cè)穩(wěn)壓器輸出電壓隨時(shí)間推移或溫度變化而產(chǎn)生的漂移，并據(jù)此在可能的故障事件出現(xiàn)之前采取行動(dòng)，對(duì)于可靠工作是至關(guān)重要的。一個(gè)設(shè)計(jì)良好的數(shù)字電源系統(tǒng)可以監(jiān)視穩(wěn)壓器的性能，并報(bào)告穩(wěn)壓器的狀態(tài)，以便在穩(wěn)壓器超過(guò)性能規(guī)范甚至出現(xiàn)故障之前能采取糾正行動(dòng)。

在數(shù)據(jù)中心中，一個(gè)關(guān)鍵的挑戰(zhàn)是，通過(guò)重新調(diào)整工作流程，并將作業(yè)轉(zhuǎn)移到未充分利用的服務(wù)器上以使其他服務(wù)器能停機(jī)來(lái)降低總體功耗。為了滿(mǎn)足這些要求，知道最終用戶(hù)設(shè)備的功耗非常重要。一個(gè)恰當(dāng)設(shè)計(jì)的數(shù)字電源管理系統(tǒng)可以向用戶(hù)提供功耗數(shù)據(jù)，從而有助于做出明智的能量管理決策。

為了防止昂貴的 ASIC 可能被過(guò)壓狀態(tài)損壞，高速比較器必須監(jiān)視每個(gè)軌的電壓值，并在某個(gè)軌超出其規(guī)定的安全工作限制時(shí)，立即采取保護(hù)性措施。在數(shù)字電源系統(tǒng)中，當(dāng)故障發(fā)生時(shí)，可以通過(guò) PMBus 報(bào)警線(xiàn)通知主機(jī)，而且從屬軌可以停機(jī)，以保護(hù) ASIC 等受電器件。實(shí)現(xiàn)這種級(jí)別的保護(hù)，需要卓越的準(zhǔn)確度和數(shù)十微秒的響應(yīng)時(shí)間。
之所以采用數(shù)字電源管理，是因?yàn)樗芴峁┯嘘P(guān)電源系統(tǒng)的準(zhǔn)確信息，而且它能非常容易地自主控制和監(jiān)察很多電壓。電路板設(shè)計(jì)師不必寫(xiě)單條代碼線(xiàn)，除非他們想讓主處理器讀取遙測(cè)數(shù)據(jù)和進(jìn)行簡(jiǎn)單的故障干預(yù)。顯然，制造商需要提供新用戶(hù)以及有經(jīng)驗(yàn)的用戶(hù)非常容易采用、定制和以特定專(zhuān)門(mén)市場(chǎng)為目標(biāo)的經(jīng)濟(jì)實(shí)惠器件。凌力爾特提供幾種數(shù)字電源產(chǎn)品，LTC3880/-1 是最近推出的這類(lèi)產(chǎn)品之一。

關(guān)于 LTC3880

LTC3880 和 LTC3880-1 是具 I2C PMBus 接口的雙輸出高效率同步降壓型 DC/DC 控制器，適用于數(shù)字電源系統(tǒng)管理。這些器件兼有最佳模擬開(kāi)關(guān)穩(wěn)壓器性能和精確的混合信號(hào)數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換，可減輕電源系統(tǒng)設(shè)計(jì)和管理負(fù)擔(dān)，得到了具易用圖形用戶(hù)界面 (GUI) 的 LTpowerPlay 軟件開(kāi)發(fā)系統(tǒng)的支持。

LTC3880/-1 允許對(duì)關(guān)鍵負(fù)載點(diǎn)轉(zhuǎn)換器功能的實(shí)時(shí)控制和監(jiān)視進(jìn)行數(shù)字設(shè)定和回讀?？删幊炭刂茀?shù)包括輸出電壓、裕度控制和電流限制、輸入和輸出監(jiān)察限制、加電排序和跟蹤、開(kāi)關(guān)頻率以及識(shí)別和可跟蹤性數(shù)據(jù)。片上內(nèi)置的精確數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換器和 EEPROM 允許捕獲穩(wěn)壓器的配置設(shè)置和遙測(cè)變量，包括輸入和輸出電壓及電流、占空比、溫度和故障記錄，并對(duì)這些數(shù)據(jù)進(jìn)行非易失性存儲(chǔ)。LTC3880/-1 有一個(gè)模擬控制環(huán)路，以實(shí)現(xiàn)最佳環(huán)路穩(wěn)定性和最快的瞬態(tài)響應(yīng)，因而沒(méi)有在較慢的數(shù)字控制環(huán)路中常見(jiàn)的量化效應(yīng)。該器件能提供兩個(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，從而就大電流和 / 或多個(gè)輸出應(yīng)用而言，最大限度地降低輸入和輸出濾波要求。一個(gè)集成的放大器提供真正的差分遠(yuǎn)端輸出電壓采樣，從而可不受電路板IR壓降影響，實(shí)現(xiàn)高度準(zhǔn)確的調(diào)節(jié)。圖 1 顯示了一個(gè)利用 LTC3880 從 12V 總線(xiàn)電壓產(chǎn)生 1.8V/20A 和 3.3V/15A 的典型應(yīng)用。

圖 1：LTC3880 應(yīng)用原理圖：從 12V 輸入產(chǎn)生 1.8V/20A 和 3.3V/15A

LTC3880/-1 有一個(gè)內(nèi)置的 16 位 ADC，該 ADC 提供最佳可編程性和遙測(cè)回讀。

LTC3880/-1 的設(shè)定分辨率和遙測(cè)準(zhǔn)確度

LTC3880/-1 設(shè)定分辨率 LTC3880/-1 遙測(cè)分辨率

利用凌力爾特基于 GUI 的 LTpowerPlay? 開(kāi)發(fā)軟件，通過(guò) LTC3880/-1 的 I2C 串行接口，該器件的配置非常容易存儲(chǔ)到內(nèi)部 EEPROM 中。內(nèi)置存儲(chǔ)器允許特定的用戶(hù)設(shè)置。此外，這個(gè)控制器還能自主加電，而不會(huì)增加主處理器的負(fù)擔(dān)。通過(guò)外部電阻器分壓器，可以有選擇地配置輸出電壓、開(kāi)關(guān)頻率、相位和器件地址的缺省設(shè)置。

LTC3880/-1 具有內(nèi)置的集成MOSFET柵極驅(qū)動(dòng)器，以從范圍為 4.5V 至 24V 的輸入電壓驅(qū)動(dòng)所有 N 溝道功率 MOSFET，而且在整個(gè)工作溫度范圍內(nèi)，該器件能以每相高達(dá) 30A 的輸出電流產(chǎn)生準(zhǔn)確度為 ± 0.50%、范圍為 0.5V 至 5.5V 的輸出電壓。LTC3880/-1 還可驅(qū)動(dòng)電源構(gòu)件或 DRMOS器件。LTC3880/-1 的最短接通時(shí)間僅為 90ns，從而使該器件非常適用于緊湊型、高頻 / 高降壓比應(yīng)用。跨多個(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)雜多軌系統(tǒng)的加電和斷電。

LTC3880 具一個(gè)內(nèi)置 LDO。LTC3880-1 允許使用外部偏置電壓以實(shí)現(xiàn)最高效率。這兩款器件都采用耐熱增強(qiáng)型 6mm x 6mm QFN-40封裝，工作節(jié)溫范圍為 -40°C 至 105°C。

數(shù)字系統(tǒng)管理實(shí)現(xiàn)真實(shí)應(yīng)用

大型多軌電源電路板通常包括一個(gè)隔離式中間總線(xiàn)轉(zhuǎn)換器，該轉(zhuǎn)換器將 48V、24V 或其他電壓從背板轉(zhuǎn)換到較低的中間總線(xiàn)電壓 (IBV)，一般是 12V，分布在 PC 板卡各處。單獨(dú)的負(fù)載點(diǎn) (POL) DC-DC 轉(zhuǎn)換器將 IBV降壓至所需的電壓軌，一般在 0.6V 至 5V 范圍，電流范圍為 0.5A 至 120A。圖 2 顯示了怎樣用凌力爾特各種不同的控制器和 DC/DC 轉(zhuǎn)換器控制一個(gè)多軌系統(tǒng)。負(fù)載點(diǎn) DC/DC 可以是自含式模塊、單片器件或由 DC-DC 控制器 IC 以及有關(guān)的電感、電容和MOSFET組成的解決方案。這些軌通常對(duì)排序、電壓準(zhǔn)確度、過(guò)流和過(guò)壓限制、裕度控制以及監(jiān)察有嚴(yán)格要求。

圖 2：通過(guò) I2C / PMBus 控制 15 個(gè)電壓軌的方框圖