關于高性能低成本的數(shù)字電源管理介紹

　　今天的網(wǎng)絡設備設計師面臨著開發(fā)時間迅速縮短和成本受到嚴格限制的壓力，但是人們仍然期望他們能突破性能限制，并增加功能。越來越多的網(wǎng)絡系統(tǒng)功能需要增加 ASIC 和處理器，而每個 ASIC 和處理器都需要幾種電壓軌，從而導致出現(xiàn)了具有幾十種軌電壓的線路卡。電壓軌如此之多帶來的挑戰(zhàn)是，優(yōu)化硬件利用率，以最大限度地降低總體功耗。

　　為了滿足這種需求，數(shù)字電源管理作為復雜的高可靠性應用之關鍵組件正在快速出現(xiàn)。數(shù)字電源管理允許通過基于PC的軟件工具，高效率地對復雜的多軌系統(tǒng)進行調試，從而可避免耗費大量時間更改硬件。相比于傳統(tǒng)的硬件 ECN 方法，基于軟件的線路內測試 (ICT) 以及電路板開發(fā)與運行狀況檢驗工作大為簡化，這是因為固件變更可在 PC 上完成，而無需接觸電路板。數(shù)字電源管理為設計師提供了實時遙測數(shù)據(jù)和故障記錄，從而能實現(xiàn)電源系統(tǒng)故障的快速診斷，并迅速采取糾正行動。

　　也許最有意義的是，具有數(shù)字管理功能的 DC/DC 轉換器允許設計師開發(fā)“綠色”電源系統(tǒng)，這類電源系統(tǒng)在滿足系統(tǒng)性能目標 (計算速度、數(shù)據(jù)傳輸速率等等) 的同時，還能優(yōu)化能源利用率。優(yōu)化可以在負載點、電路板和機架上，甚至在安裝階段進行，從而同時降低了基礎設施成本和產品在整個壽命期內的總體擁有成本。

　　本文探討了在網(wǎng)絡交換機和路由器、基站和服務器、以及工業(yè)和醫(yī)療設備中，怎樣通過使用 LTC2974 四通道數(shù)字電源管理 IC 來改善性能、可靠性和能效。

　圖 1：具備 EEPROM 的四通道電源控制器 (僅顯示了一個通道)

　　PMBus INTERFACE：PMBus 接口

　　TO/FROM OTHER DEVICES：至/自其他器件

　　TO uP RESETB INPUT：至微處理器的復位 B 輸入

　　WATCHDOG TIMER INTERRUPT：看門狗定時器中斷信號

　　DC/DC CONVERTER：DC/DC 轉換器

　　* SOME DETIALS OMITTED FOR CLARITY：* 為清晰起見，省略了一些細節(jié)

　　ONLY ONE OF FOUR CHANNELS SHOWN：僅顯示了 4 個通道之中的 1 個

　　**LTC2974 MAY ALSO BE POWERED DRIECTLY FROM EXTERNAL 3.3V SUPPLY

　　** LTC2974 也可以直接由外部 3.3V 電源供電

　　對任何數(shù)量的電源排序;隨意增加電源

　　LTC2974 簡化了任何數(shù)量電源的排序。通過使用一種基于時間的算法，用戶能以任何順序、動態(tài)地為電源的接通和斷開排序。利用單線共享時鐘總線以及一個或多個雙向故障引腳也可以跨多個 LTC2974 排序 (參見圖 2)。這種方法極大地簡化了系統(tǒng)設計，因為通道能按照任何順序排序，而不管由哪一個 LTC2974 提供控制。任何時間都可增加額外的 LTC2974，而不必擔心系統(tǒng)限制，例如子卡連接器引腳供應受限。

　　圖 2：僅用兩條連接，就可以無縫地級聯(lián)多個 LTC2974

　　SEQUENCE SUPPLIES UP IN ANY ORDER：以任何順序為電源加電排序

　　INDIVIDUAL MARGINING FOR ALL SUPPLIES：所有電源都可以單獨進行裕度調節(jié)

　　SEQUENCE SUPPLIES DOWN IN ANY ORDER：以任何順序為電源斷電排序

　　0.5V/DIV：每格 0.5V

　　AC-COUPLED：AC 耦合

　　加電排序可由各種條件響應觸發(fā)。例如，當下游 DC/DC POL 轉換器的中間總線電壓超過特定接通電壓時，LTC2974 就可以自動排序?；蛘撸油ㄅ判蚩梢杂煽刂埔_輸入的上升或下降沿啟動。該器件還可提供響應故障情況的立即斷開或斷開排序。排序還可以由簡單的 I2C 命令啟動。LTC2974 支持這些條件的任意組合。

　　堅固的系統(tǒng)需要通用故障管理

　　雙向故障引腳可用來建立通道之間故障響應的相關性。例如，如果發(fā)生短路，那么一個或多個通道的接通排序可以終止。電壓和電流監(jiān)察器的限制門限和響應時間的過大和過小值都是可編程的。此外，還可監(jiān)視輸入電壓、芯片溫度和 4 個外部二極管的溫度。LTC2974 可以設定為，如果這些量之中的任意一個超過了它們的過大或過小值的限制，那么 LTC2974 就以若干種方式做出響應，包括立即鎖斷、抗尖峰干擾鎖斷和具重試功能的鎖斷。

　　還可用集成的看門狗定時器來監(jiān)視外部微控制器。有兩種超時時間間隔可用：第一次看門狗時間間隔和接續(xù)時間間隔。這使得有可能在一確定電源良好信號以后，就為微控制器規(guī)定較長的超時時間間隔。LTC2974 可以配置為，如果發(fā)生看門狗故障，就使微控制器在預先確定的時間長度內處于復位狀態(tài)，之后重新確定電源良好輸出。

　　利用準確的電壓監(jiān)視來改善制造良率

　　隨著電壓降至低于 1.8V，很多現(xiàn)成有售的模塊在隨溫度變化滿足輸出電壓準確度的要求方面都會遇到麻煩?，F(xiàn)在，低于 ±10mV 的絕對準確度要求是常見的，從而必須在制造過程中微調輸出電壓，這是一個耗費大量時間的過程。

　　原始設備制造商 (OEM) 必須給測試留出裕度，以確保面對不斷漂移的軌電壓，交付可靠的系統(tǒng)，這可能導致極大地影響制造良率。解決這一問題有一種好得多的辦法，即接受電源模塊不準確這個現(xiàn)實，使系統(tǒng)能在現(xiàn)場自我微調。LTC2974 的數(shù)字伺服環(huán)路從外部微調該模塊的輸出電壓，使其準確度隨溫度變化好于 ±0.25% (參見圖 3)，從而最大限度地減少了軌電壓漂移。除了改善制造良率，該數(shù)字伺服環(huán)路避開了模塊準確度限制，使給電源模塊供電變得更容易了。

　　圖 3：LTC2974 可在整個溫度范圍內提供卓越的電壓伺服準確度

　　ERROR：誤差

　　THREE TYPICAL PARTS：3 款典型器件

　　TEMPERATURE：溫度

　　堅固的系統(tǒng)得自非常容易的裕度調節(jié)

　　LTC2974 的數(shù)字伺服環(huán)路10 位 DAC 在為 Shmoo 繪圖等應用保持高分辨率的同時，還允許用戶在很寬的范圍內調節(jié)電源裕度。裕度調節(jié)是用單條命令通過 I2C 接口控制的，而且裕度調節(jié) DAC 的輸出連接到反饋節(jié)點，或通過一個電阻器微調 DC/DC 轉換器的輸入。這個電阻器的值針對允許的輸出電壓裕度調節(jié)范圍設定了硬件限制，這對于軟件控制之下的電源是一項重要的安全措施。

　　準確和溫度補償?shù)?DCR 負載電流監(jiān)視

　　為了實現(xiàn)所希望的功耗節(jié)省，有必要總結出所有工作模式時的負載特性。FPGA 用戶優(yōu)化代碼，以最大限度地降低功率，而 ASIC 用戶根據(jù)吞吐量需求來調節(jié)內核電壓。準確實時的遙測極大地簡化了這種任務。

　　使用 LTC2974，可以根據(jù)電壓、電流和溫度狀態(tài)寄存器確定系統(tǒng)是否處于正常狀態(tài)，同時多路轉換的 16 位 ?∑ ADC 監(jiān)視輸入和輸出電壓、輸出電流、以及內部和外部二極管溫度。

　　由于內核電壓越來越低這一趨勢，準確測量負載電流已經變成了一種挑戰(zhàn)，因為使用精確的電流檢測電阻器可能導致不可接受的功率損耗。一種選擇是將電感器的 DC 電阻 (DCR) 用作電流分流組件。這么做有幾種優(yōu)勢，包括零附加功耗、更低的電路復雜性和成本。然而，電感器電阻與溫度有很大的相關性，而且準確測量電感器磁芯的溫度很難，會不可避免地引入電流測量誤差 (參見圖 4)。

　　圖 4：一款 DC/DC 轉換器的熱像顯示了實際電感器溫度和溫度監(jiān)測點之間的差別

　　LTC2974 憑借正在申請專利的溫度補償算法，使準確的 DCR 檢測成為可能，該算法補償從檢測二極管到電感器磁芯的溫度變化率，以及在電感器電流變化和溫度變化之間出現(xiàn)的時差 (參見圖 5)。這個功能與 LTC2974 的低噪聲 16 位 ?∑ ADC 相結合，可利用 DCR 微乎其微的電感器實現(xiàn)負載電流的準確測量 (參見圖 6)。

　　圖 5：LTC2974 用熱阻和延遲參數(shù)補償電感器自熱

　　INDUCTOR SELF-HEATING：電感器自熱

　　TIME：時間

　　圖 6：在整個溫度和輸出電流范圍內，針對一款 DC/DC 轉換器的 LTC2974 總電流測量誤差

　　AVERAGE IOUT ERROR(FULL-SCALE %)：平均 IOUT 誤差 (滿標度 %)

　　CURRENT SET POINT：電流設定點

　　基于 PC 的設計和故障診斷

　　當與 LTpowerPlay? 軟件一起使用時，LTC2974 的故障和警報寄存器允許設計師 (和現(xiàn)場用戶) 一目了然地確定電源基礎設施的狀態(tài) (參見圖 7)。在數(shù)據(jù)記錄中，提供狀態(tài)信息、可用時間和 ADC 遙測最后 500ms 的數(shù)據(jù)。如果為響應一個故障而禁止了某個通道，那么 LTC2974 的數(shù)據(jù)記錄可以存入受保護的 EEPROM 中。這個 255 字節(jié)的數(shù)據(jù)塊一直保持在非易失性存儲器中，直到用 I2C 命令清除為止。

　　圖 7：LTpowerPlay 軟件允許設計師通過一個纖巧的連接器，將 PC 插入系統(tǒng)，從而使電源管理系統(tǒng)能得到完整的配置和控制，而且一行代碼都不必編寫。

　　圖 7 顯示，在 LTpowerPlay 的 LTC2974 界面中看到的數(shù)據(jù)記錄內容。LTC2974 以這種方式提供了在關鍵故障發(fā)生之前，電源系統(tǒng)狀態(tài)的完整瞬像，因此有可能在故障一發(fā)生時，就隔離故障根源。就調試高可靠性系統(tǒng)的預發(fā)布特征和現(xiàn)場故障而言，這是一種非常寶貴的功能。

　　獨立工作

　　基于 PC 且易于使用的 LTpowerPlay 軟件允許用戶通過 USB 接口和一個加密狗卡配置 LTC2974。LTpowerPlay 軟件是免費提供并可下載，允許設計師在一個直觀的界面中，配置所有器件參數(shù)，從而省去了開發(fā)過程中的大量編碼工作，并加快產品上市。

　　一旦器件配置最終確定，設計師就可以將參數(shù)保存到文件中，并上載到凌力爾特的工廠中。凌力爾特可以用該文件預設定器件，從而使客戶能最便利地對電路板開發(fā)與運行狀況進行檢驗。當內置 EEPROM 配置完成后，LTC2974 就能徹底地自主工作，而無需定制軟件。此外，增加一個纖巧的連接器，就允許 LTpowerPlay 軟件與 LTC2974 進行系統(tǒng)內的溝通，從而使現(xiàn)場用戶能按照需要存取遙測、系統(tǒng)狀態(tài)以及故障記錄數(shù)據(jù)。

　　結論

　　LTC2974數(shù)字電源管理器為高可用性系統(tǒng)提供了前所未有的參數(shù)準確度、豐富的功能和可擴展的模塊化架構。用 LTC2974 可以簡化復雜的多軌系統(tǒng)設計。該器件采用了業(yè)界標準的 PMBus 接口，可直接與功能強大、基于 PC 且免費提供的 LTpowerPlay 控制軟件連接，并包括一個集成的 EEPROM 以實現(xiàn)徹底的定制化?？蛻艨捎?LTpowerPlay 設計工具設計應用，并簡便地將配置上載到凌力爾特的工廠。凌力爾特能夠采用您的定制配置在您的應用中產生安裝即用的預編程器件。