電源管理 IC 以數(shù)字方式監(jiān)視和控制 8 個(gè)電源

　　引言

　　當(dāng)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(duì)大量的電壓軌進(jìn)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(gè)電壓軌的情況并不少見，這些電壓軌各具自己獨(dú)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(gè)受控于一個(gè) FPGA 或微控制器的分立器件散布在電路板的周圍，以對(duì)電源陣列進(jìn)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(fèi)大量的時(shí)間，而低估這項(xiàng)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(jì)人員提供一款集成型模塊化解決方案，其調(diào)試時(shí)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_(dá) 8 個(gè)電源進(jìn)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(shí)鐘總線及一個(gè)或多個(gè)雙向故障引腳，可以容易地級(jí)聯(lián)多個(gè) 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(gè)受保護(hù)的非易失性存儲(chǔ)器，用于記錄發(fā)生關(guān)鍵性系統(tǒng)故障時(shí)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(chǔ)器中，用戶就能在系統(tǒng)開發(fā)、測(cè)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(biāo)準(zhǔn)的 PMBus 命令協(xié)議，旨在簡(jiǎn)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(zhǔn)和 15 位ΔΣ ADC 可在測(cè)量或調(diào)節(jié)電源電壓時(shí)提供 ±0.25% 的絕對(duì)準(zhǔn)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(fèi)的可下載圖形 PC 界面，可在設(shè)計(jì)與測(cè)試過程中方便與器件的互動(dòng)。LTpowerPlay 為使用 LTC2978 的特性提供了一種簡(jiǎn)單易用卻功能強(qiáng)大的配置工具。另外，LTpowerPlay 設(shè)計(jì)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(zhǔn)的裕度測(cè)試來改善制造良率

　　系統(tǒng)電壓的裕度測(cè)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(cè)系統(tǒng)擁有在現(xiàn)場(chǎng)可靠操作的足夠堅(jiān)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(huì)導(dǎo)致過多的測(cè)試失敗 (test fallout)。假如上述的電源電壓容限嚴(yán)緊一點(diǎn)的話，那么這些測(cè)試不合格中有很多本來是可以避免的。

　　憑借其高精度基準(zhǔn)、多路復(fù)用 15 位 ADC、8 個(gè)裕度 DAC 和集成伺服算法，LTC2978 為應(yīng)對(duì)這一問題提供了一種使用較為簡(jiǎn)單但功能十分強(qiáng)大的解決方案。通過簡(jiǎn)單地寫入一個(gè)用于修整或裕度調(diào)節(jié)至某個(gè)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(fù)載點(diǎn)轉(zhuǎn)換器，以提供絕對(duì)準(zhǔn)確度達(dá) ±0.25% 的命令輸出電壓。

　　裕度 DAC 輸出通過一個(gè)電阻器連接至 DC/DC POL 轉(zhuǎn)換器的反饋節(jié)點(diǎn)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(gè)重要的限制因素。10 位裕度 DAC 的另一個(gè)顯著的優(yōu)勢(shì)是其能在進(jìn)行電壓裕度調(diào)節(jié)時(shí)實(shí)現(xiàn)非常精細(xì)的分辨率。這使其能夠從故障測(cè)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(duì)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?zhǔn)?PCB 接線。雖然這種方法對(duì)于少數(shù)電源而言實(shí)現(xiàn)起來相對(duì)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(duì)規(guī)格的變更會(huì)導(dǎo)致靈活性相對(duì)欠佳。另外，運(yùn)用這種方法實(shí)現(xiàn)關(guān)斷排序也是極為困難的。

　　無(wú)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(shí)間的算法，用戶能夠以任意順序進(jìn)行接通和關(guān)斷的動(dòng)態(tài)排序 (見圖 2)。多個(gè) LTC2978 的排序也可使用單線式共享時(shí)鐘總線及一個(gè)或多個(gè)雙向故障引腳來實(shí)現(xiàn)。由于能以任意順序進(jìn)行通道的排序 (而與由哪一個(gè) LTC2978 提供控制無(wú)關(guān))，因此該方法極大地簡(jiǎn)化了系統(tǒng)設(shè)計(jì)。而且，以后還可增加更多的 LTC2978，而無(wú)需擔(dān)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(shí)例

　　接通排序可應(yīng)多種條件而被觸發(fā)。例如：當(dāng)下游 DC/DC POL 轉(zhuǎn)換器的中間總線電壓超過某個(gè)特定的接通電壓時(shí)，LTC2978 將執(zhí)行自動(dòng)排序?；蛘?，接通排序也能夠應(yīng)控制引腳輸入的上升沿或下降沿而啟動(dòng)。另外，排序還可利用一個(gè)簡(jiǎn)單的 I2C 命令來啟動(dòng)。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(gè)或多個(gè)通道的接通排序。當(dāng)某個(gè)電源軌上電時(shí)，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(shí)間都是可編程的。此外，還對(duì)輸入電壓和溫度進(jìn)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(jìn)行選擇。具體的實(shí)例包括立即鎖斷、去抖動(dòng)鎖斷以及具重試功能的鎖斷。

　　該器件內(nèi)置了一個(gè)集成型看門狗定時(shí)器，用于對(duì)外部微控制器實(shí)施監(jiān)控?？商峁﹥煞N超時(shí)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(hào)被置為有效之后為微控制器規(guī)定一個(gè)較長(zhǎng)的超時(shí)間隔。倘若發(fā)生看門狗故障，則可把 LTC2978 配置為在一個(gè)預(yù)定的時(shí)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(yuǎn)端采樣 (Multifaceted Telemetry)

　　LTC2978 在其寄存器中預(yù)備了多種遠(yuǎn)端采樣數(shù)據(jù)。多路復(fù)用的 15 位ΔΣ ADC負(fù)責(zé)監(jiān)視輸入和輸出電壓及片內(nèi)溫度，并存儲(chǔ)所有電壓和溫度讀數(shù)的最小值與最大值。此外，還可對(duì)用于奇數(shù)輸出通道的 ADC 輸入進(jìn)行重新配置，以測(cè)量檢測(cè)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(dāng)試圖利用電感器 DCR 電路來測(cè)量電流時(shí)，這一點(diǎn)是寶貴的。

　　雖然 LTC2978 可依靠一個(gè) 3.0V 至 3.6V 電源直接供電，但 ADC 能接受高達(dá) 6V 的輸入電壓 —— 無(wú)需擔(dān)憂體二極管或極不穩(wěn)定的待機(jī)電源電壓。而且，利用其內(nèi)部穩(wěn)壓器，LTC2978 還能夠依靠一個(gè) 4.5V 至 15V 的輸入電源來運(yùn)行。提供了一個(gè)單獨(dú)的高電壓 (最大值為 15V) 檢測(cè)輸入，用于測(cè)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(dāng)某個(gè)通道因故障響應(yīng)而被停用時(shí)，LTC2978 的數(shù)據(jù)日志可被轉(zhuǎn)儲(chǔ)至受保護(hù)的 EEPROM 中。這個(gè) 255 字節(jié)的數(shù)據(jù)塊將被保存在 NVM (非易失性存儲(chǔ)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(duì)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(yùn)行時(shí)間也存儲(chǔ)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(jì)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(duì)于首批樣機(jī)的調(diào)試及現(xiàn)場(chǎng)故障而言，這是一項(xiàng)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(duì) LTC2978 進(jìn)行在線配置和編程 (見圖 3)。該 GUI 免費(fèi)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(jì)人員在一個(gè)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(jìn)程。一旦選定了器件配置，設(shè)計(jì)人員即可把參數(shù)保存在一個(gè)文件中，并與一個(gè) BPM Micro 編程器一起發(fā)送給合同制造商或授權(quán)分銷商進(jìn)行預(yù)編程。

　　圖 3： LTpowerPlay 交互式 GUI

　　LTC2978 采用業(yè)界標(biāo)準(zhǔn)的 PMBus 接口協(xié)議，該協(xié)議是 I2C 兼容型 SMBus 標(biāo)準(zhǔn)的一個(gè)擴(kuò)展集。PMBus 是一種開放式且被廣泛采用的標(biāo)準(zhǔn)，它明確定義了用于單獨(dú) 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(zhǔn)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(chǎng)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(jì)算機(jī)、視頻和通信到消費(fèi)類等一應(yīng)俱全。

　　業(yè)界標(biāo)準(zhǔn)的 PMBus 接口、功能強(qiáng)大的 LTpowerPlay GUI 和集成型 EEPROM 使得能夠針對(duì)所有應(yīng)用進(jìn)行 LTC2978 的客戶化設(shè)計(jì)。設(shè)計(jì)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(duì)特定應(yīng)用而定制的即用型預(yù)編程器件。

　　LTC2978 的其他特點(diǎn)包括一個(gè)集成型高精度基準(zhǔn)、一個(gè)多路復(fù)用15位 ΔΣ ADC、8 個(gè) 10 位電壓緩沖 DAC、8 個(gè)具可編程門限和響應(yīng)時(shí)間的過壓和欠壓 10 位電壓監(jiān)控器、以及一個(gè)用于存儲(chǔ)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。