數(shù)字電源系統(tǒng)管理消除了“盲點”

背景

盡管電源管理對于新式電子系統(tǒng)的可靠運作至關(guān)緊要，但穩(wěn)壓器或許是當(dāng)今系統(tǒng)中所剩下的最后一個“盲點”，因為它們不具備對關(guān)鍵電源系統(tǒng)操作參數(shù)進行直接配置或監(jiān)視的方法。于是，電源設(shè)計師不得不使用一大堆排序器、微控制器和電壓監(jiān)控器來設(shè)置基本的穩(wěn)壓器啟動和安全功能。雖然數(shù)字式可編程 DC/DC 轉(zhuǎn)換器面市已經(jīng)多年 (最著名的就是在具有 VID 輸出電壓控制功能的 VRM 內(nèi)核電源中)，但它們一直缺乏直接利用穩(wěn)壓器來監(jiān)視操作狀態(tài)信息 (特別是實時電流) 的能力。

憑借通過一個計算機接口設(shè)置和監(jiān)視電源各種參數(shù)的能力，數(shù)字電源系統(tǒng)管理正在逐步打開這一盲點?？删幊虆?shù)包括輸出電壓、排序、跟蹤、多個電源軌的延遲和斜坡、過流限值以及過壓設(shè)定點和工作頻率。此外，數(shù)字電源系統(tǒng)管理還能回讀遠端采樣數(shù)據(jù)并匯報輸入電壓、輸出電壓 / 電流、溫度甚至故障情況。

網(wǎng)絡(luò)設(shè)備的系統(tǒng)設(shè)計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的壓力。與此同時，如何減少系統(tǒng)的總功耗也是其必需應(yīng)對的難題。在數(shù)據(jù)中心里，人們所面對的挑戰(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)計的數(shù)字電源管理系統(tǒng)能夠為用戶提供功耗數(shù)據(jù)，這樣就可以做出靈活的能量管理決策。

多軌板級電源系統(tǒng)

大多數(shù)嵌入式系統(tǒng)均通過一塊 48V 背板來供電。一般是將該電壓降壓至一個較低的中間總線電壓 (比如：12V)，以為系統(tǒng)內(nèi)部的電路板支架供電。然而，這些電路板上的大多數(shù)子電路或 IC 都需要在 1V 以下至 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，負載點 (POL) DC/DC 轉(zhuǎn)換器是必不可少的。這些電源軌通常具有嚴(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、電信或存儲系統(tǒng)中存在多達 20 個 POL 電壓軌的情況并不少見，系統(tǒng)設(shè)計師因而需要一種按照其輸出電壓、排序和最大可容許電流要求來管理這些電壓軌的簡單方法。許多處理器要求其 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。因此，設(shè)計人員需要一種簡便易行的調(diào)整方法以優(yōu)化系統(tǒng)性能并存儲用于每個 DC/DC 轉(zhuǎn)換器的特定配置，從而達到簡化設(shè)計工作的目的。

為了避免昂貴的 ASIC 遭受過壓情況的可能性，高速比較器必須監(jiān)視每個電源軌的電壓電平，并在某個電源軌超出其規(guī)定的安全操作限值范圍時立即采取保護措施。在數(shù)字電源系統(tǒng)中，可以在發(fā)生故障時通過 PMBus 報警線路通知主機，并可將有關(guān)的電源軌關(guān)斷以對諸如 ASIC 等受電器件實施保護。實現(xiàn)這種保護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現(xiàn)了實時控制以及關(guān)鍵負載點轉(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 多條命令和內(nèi)置 EEPROM。LTC3880/-1 整合了同類最佳的模擬開關(guān)穩(wěn)壓控制器性能和高精度混合信號數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換，可實現(xiàn)電源系統(tǒng)設(shè)計和管理的超卓簡易性，此器件得到了具有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 示出了典型的 LTC3880 應(yīng)用原理圖。

圖 1：LTC3880 的典型應(yīng)用原理圖

LTC3880/-1 可調(diào)節(jié)兩個獨立的輸出或配置為兩相單輸出。多達 6 相可以交錯和并聯(lián)，以在多個 IC 之間實現(xiàn)準(zhǔn)確的均流，從而最大限度地放寬大電流或多輸出應(yīng)用的輸入和輸出濾波要求。一個內(nèi)置差分放大器提供了真正的遠端輸出電壓采樣。

集成型柵極驅(qū)動器可依靠范圍為 4.5V 至 24V 的輸入電壓來為全 N 溝道功率 MOSFET 供電，而且在整個工作溫度范圍內(nèi)，在輸出電流高達每相 30A 時，該器件可產(chǎn)生準(zhǔn)確度為 ±0.50% 并高達 5.5V 的輸出電壓。跨多個芯片的準(zhǔn)確定時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 具有一個用于控制器和柵極驅(qū)動電源的內(nèi)置 LDO，而 LTC3880-1 則允許用外部偏置電壓實現(xiàn)最高效率。這兩款器件都采用耐熱性能增強型 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之開放標(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 POL DC/DC 轉(zhuǎn)換器進行編程和監(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，并實現(xiàn)了功率轉(zhuǎn)換產(chǎn)品的編程、控制和實時監(jiān)視。命令語言和數(shù)據(jù)格式標(biāo)準(zhǔn)化可實現(xiàn)簡易的固件開發(fā)，從而加快了產(chǎn)品的面市進程。如需了解更多信息，請登錄 http://pmbus.org 網(wǎng)站查詢。

LTC3880/-1 的可編程控制參數(shù)包括輸出電壓、裕度調(diào)節(jié)、電流限值、輸入和輸出監(jiān)控限值、上電排序和跟蹤、開關(guān)頻率、識別及可追溯性數(shù)據(jù)。片內(nèi)高精度數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換器和 EEPROM 允許捕獲穩(wěn)壓器配置設(shè)定值和遙測變量值，包括輸入和輸出電壓及電流、占空比、溫度以及故障記錄，并對這些設(shè)定值和變量進行非易失性存儲。下面的表 1 羅列了可采用 LTC3880/-1 進行編程的一些參數(shù)、其高分辨率、遙測回讀能力和替代解決方案。

表 1：某些 LTC3880/-1 可編程參數(shù)以及遙測回讀能力和準(zhǔn)確度

LTC3880/-1 的配置可以很容易地通過器件的 I2C 串行接口保存到內(nèi)部EEPROM 中。由于配置存儲在芯片上，所以該控制器能夠自主上電，而不會增加主處理器的負擔(dān)。輸出電壓、開關(guān)頻率、相位和器件地址的缺省設(shè)置可以選擇通過外部電阻分壓器進行配置。多種設(shè)計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)化單個硬件設(shè)計。

模擬控制環(huán)路

LTC3880/-1 是一款適合眾多功能 (例如：輸出電壓、電流限制設(shè)定點和排序等等) 的數(shù)字式可編程控制器，但它具有一個旨在實現(xiàn)最佳環(huán)路穩(wěn)定性和瞬態(tài)響應(yīng)的模擬反饋控制環(huán)路，而沒有數(shù)字控制環(huán)路的量化效應(yīng)。

圖 2 示出了采用模擬反饋控制環(huán)路 (LTC3880) 和數(shù)字反饋控制環(huán)路的控制器 IC 內(nèi)部不同的斜坡曲線。模擬環(huán)路具有一個平滑的斜坡，而數(shù)字環(huán)路則類似于一個階躍函數(shù)，這會引起穩(wěn)定性問題、減緩瞬態(tài)響應(yīng)速度、并在某些應(yīng)用中導(dǎo)致需要增加輸出電容，而且，數(shù)字環(huán)路的量化效應(yīng)將造成輸出紋波增大。

圖 2：LTC3880 的模擬控制環(huán)路與數(shù)字控制環(huán)路的比較

而且，相比于數(shù)字控制環(huán)路替代方案，LTC3880 最多能節(jié)省 50% 的輸出電容值，同時穩(wěn)定性也更好 (實現(xiàn)穩(wěn)定所需的時間較短)。此外，數(shù)字控制瞬態(tài)響應(yīng)在穩(wěn)定之前還會出現(xiàn)振蕩，這是由于量化效應(yīng)及其 ADC 分辨率的局限性所造成的。圖 3 對比了模擬控制環(huán)路與數(shù)字控制環(huán)路的瞬態(tài)響應(yīng)。

圖 3：25A 階躍時模擬控制環(huán)路與數(shù)字控制環(huán)路的瞬態(tài)響應(yīng)比較 (對于一個工作頻率為 400kHz 的 12VIN 至 1.2VOUT DC/DC 轉(zhuǎn)換器)。

再者，因 ADC、數(shù)字補償器和數(shù)字 PWM 而產(chǎn)生的數(shù)字控制環(huán)路量化效應(yīng)還將給輸出紋波增加額外的電壓 (取決于 ADC 的分辨率和環(huán)路設(shè)計)。與此相反，模擬控制環(huán)路則不存在這種額外的輸出紋波電壓。

結(jié)論

數(shù)字電源系統(tǒng)管理的主要優(yōu)點之一是能夠減低設(shè)計成本和加快產(chǎn)品的上市速度。通過采用一種具直觀圖形用戶界面 (GUI) 的集成開發(fā)環(huán)境，可以高效地開發(fā)復(fù)雜的多軌系統(tǒng)。此類系統(tǒng)還通過利用 GUI (而不是焊接裝配) 進行調(diào)整而簡化了在線測試 (ICT) 和電路板調(diào)試。

數(shù)字電源系統(tǒng)管理的另一個優(yōu)點是具備預(yù)知電源系統(tǒng)故障并啟動保護性措施的潛力，這得益于實時遙測數(shù)據(jù)的提供。也許最重要的一點是：具有數(shù)字管理功能的 DC/DC 轉(zhuǎn)換器將使得設(shè)計人員能夠開發(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) 來確定何時降低總功耗。由于在負載點、電路板、支架、甚至安裝級上的能源使用量極少，因而有助于降低基礎(chǔ)設(shè)施成本以及產(chǎn)品生命周期中的總擁有成本。