電源系統(tǒng)管理中數(shù)字可編程 DC/DC 轉(zhuǎn)換器的精確度探討

客戶需要越來越復(fù)雜的電路板，在這一需求的驅(qū)動(dòng)下，數(shù)字電源成為一個(gè)快速增長(zhǎng)的領(lǐng)域。LTC3880 和凌力爾特其他 PMBus 產(chǎn)品一起使用，可為高性能電源提供靈活的數(shù)字控制。電路板設(shè)計(jì)師現(xiàn)在擁有了簡(jiǎn)化流程、快速為市場(chǎng)提供同類最佳性能的工具。

LTC3880 / LTC3880-1 結(jié)合了雙輸出同步降壓型 DC/DC 控制器和擁有通過基于 I2C 的 PMBus 總線使用全面的電源管理功能，這解決了復(fù)雜的電源系統(tǒng)管理問題。PMBus 可用來設(shè)定輸出電壓、電壓裕度、開關(guān)頻率、排序以及若干其他工作參數(shù) (參見下面“PMBus控制”部分)。

圖 1：采用外部功率 MOSFET 的雙輸出穩(wěn)壓器發(fā)軟件，極大地簡(jiǎn)化了復(fù)雜的多軌系統(tǒng)設(shè)計(jì)，該開發(fā)軟件是一種基于 PC 的全面開發(fā)環(huán)境 (參見圖 6)。在該環(huán)境中，在線測(cè)試 (ICT) 和電路板調(diào)試僅需要點(diǎn)擊幾下鼠標(biāo)就可完成，而無需焊接到“白色導(dǎo)線”定位點(diǎn)中。由于可以使用實(shí)時(shí)遙測(cè)數(shù)據(jù)，所以可以立即得到設(shè)計(jì)結(jié)果，從而有可能預(yù)測(cè)電源系統(tǒng)故障，并立即采取預(yù)防性措施。

也許最重要的是，具備數(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)優(yōu)化了能源利用率，同時(shí)滿足系統(tǒng)性能目標(biāo) (計(jì)算速度、數(shù)據(jù)傳輸速率等等)。優(yōu)化可以在負(fù)載點(diǎn)、電路板和機(jī)架上進(jìn)行，甚至可以在安裝階段進(jìn)行，從而降低了基礎(chǔ)設(shè)施成本和產(chǎn)品整個(gè)壽命期內(nèi)的總體擁有成本。

為了提供最佳性能調(diào)節(jié)，LTC3880 堅(jiān)持采用精確的基準(zhǔn)和溫度補(bǔ)償模擬電流模式控制環(huán)路，以產(chǎn)生嚴(yán)格的 ±0.5% DC 輸出電壓準(zhǔn)確度。該模擬控制環(huán)路促成了非常容易的補(bǔ)償，環(huán)路經(jīng)過了校準(zhǔn)，以不受工作條件的影響，該環(huán)路還可實(shí)現(xiàn)逐周期限流，并產(chǎn)生快速和準(zhǔn)確的電壓及負(fù)載瞬態(tài)響應(yīng)，在運(yùn)用數(shù)字控制的產(chǎn)品中沒有見到與 ADC 量化有關(guān)的誤差。

LTC3880 具備內(nèi)置的穩(wěn)壓器以提高集成度，而 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 (E 級(jí)版本) 或 -40°C 至 125°C (I 級(jí)版本)。模擬控制環(huán)路確保同類最佳的穩(wěn)壓器性能

LTC3880 / LTC3880-1 是數(shù)字可編程以實(shí)現(xiàn)無數(shù)功能，這包括輸出電壓和電流限制設(shè)定點(diǎn)以及排序?？刂骗h(huán)路盡管是純模擬的，但提供了最佳環(huán)路穩(wěn)定性和瞬態(tài)響應(yīng)，而不會(huì)產(chǎn)生數(shù)字控制環(huán)路的量化效應(yīng)。圖 2 比較了具備模擬反饋控制環(huán)路的控制器 IC 與具備數(shù)字反饋控制環(huán)路的控制器 IC 之斜坡曲線。模擬環(huán)路有平滑的斜坡，而數(shù)字環(huán)路有離散的步進(jìn)，由于量化效應(yīng)，這可能導(dǎo)致穩(wěn)定性問題、較慢的瞬態(tài)響應(yīng)、在某些應(yīng)用中需要更大的輸出電容以及在 PWM 控制信號(hào)上有更大的輸出紋波和抖動(dòng)。

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

ANALOG CONTROL LOOP：模擬控制環(huán)路

ANALOG CURRENT WAVEFORM：模擬電流波形

FIXED：固定的

DIGITAL CONTROL LOOP：數(shù)字控制環(huán)路

DIGITAL RAMP：數(shù)字斜坡實(shí)際上，與具備數(shù)字控制環(huán)路的可比較 IC 相比，LTC3880 的模擬控制環(huán)路需要使用的輸出電容小 50% 且具有更好的穩(wěn)定性和更短的穩(wěn)定時(shí)間。此外，由于存在 ADC 分辨率有限引起的量化效應(yīng)，所以數(shù)字控制的瞬態(tài)響應(yīng)在穩(wěn)定之前有震蕩。圖 3 比較了 LTC3880 的模擬控制環(huán)路與同類 IC 的數(shù)字控制環(huán)路的瞬態(tài)響應(yīng)。請(qǐng)注意，LTC3880 使用約等于數(shù)字控制器一半的輸出電容，但產(chǎn)生了更干凈的結(jié)果。

圖 3：在 15A 瞬態(tài)負(fù)載步進(jìn)情況下，模擬和數(shù)字控制環(huán)路響應(yīng)的比較。模擬控制環(huán)路需要的輸出電容僅為數(shù)字環(huán)路的一半，同時(shí)實(shí)現(xiàn)了卓越得多的穩(wěn)定時(shí)間

ANALOG CONTROL LOOP：模擬控制環(huán)路

100mV/DIV：每格 100mV

AC-COUPLED：AC 耦合

15A LOAD STEP：15A 負(fù)載步進(jìn)

DIGITAL CONTROL LOOP：數(shù)字控制環(huán)路

LTC3880 設(shè)計(jì)為，當(dāng)修改其配置文件時(shí)，環(huán)路增益不變。當(dāng)修改輸出電壓或電流限制時(shí)，瞬態(tài)響應(yīng)不受影響，而且補(bǔ)償環(huán)路無需要調(diào)節(jié)。

PMBus 控制

LTC3880 / LTC3880-1 具備數(shù)字設(shè)定和回讀，以實(shí)時(shí)控制和監(jiān)視關(guān)鍵負(fù)載點(diǎn)轉(zhuǎn)換器的功能。配置可通過 I2C 串行接口下載至內(nèi)部 EEPROM，凌力爾特基于 PC 的 LTpowerPlay 開發(fā)軟件支持該接口。圖 4 顯示了具備 USB 至 I2C / SMBus / PMBus 適配器連接的 LTpowerPlay 開發(fā)平臺(tái)。配置文件存儲(chǔ)在內(nèi)置的非易失性存儲(chǔ)器中以后，控制器自主加電，而不會(huì)增加主機(jī)負(fù)擔(dān)。配置電路板是一項(xiàng)簡(jiǎn)單的任務(wù)，完全不需要開發(fā)固件。

圖 4：用 LTpowerPlay 軟件建立完整的開發(fā)平臺(tái)非常容易

USB to PMBus Controller：USB 至 PMBus 控制器

Demo Board：演示電路板

Socketed Programming Board：有插座的設(shè)置電路板

Customer Board with LTC3880/LTC3880-1：采用 LTC3880 / LTC3880-1 的客戶電路板

Demonstration Kit：演示套件

Or：或

Socketed Programming：通過插座設(shè)置

In-circuit Serial Programming：在線串行設(shè)置

PMBus 功能包括可設(shè)置特定的電源管理參數(shù)，包括：

l 輸出電壓和電壓裕度

l 基于電感器溫度的溫度補(bǔ)償電流限制門限

l 開關(guān)頻率

l 過壓和欠壓高速監(jiān)察器門限

l 輸出電壓接通 / 斷開時(shí)間延遲

l 輸出電壓上升 / 下降時(shí)間l 輸入電壓接通 / 斷開門限

l 輸出軌接通 / 斷開

l 輸出電壓軌高裕度/低裕度

l 響應(yīng)內(nèi)部 / 外部故障

l 故障傳播

此外，PMBus 功能允許監(jiān)視電源的運(yùn)行，包括：

l 輸出 / 輸入電壓

l 輸出 / 輸入電流

l 內(nèi)部芯片溫度

l 外部電感器溫度

l 器件狀態(tài)

l 故障狀態(tài)

l 系統(tǒng)狀態(tài)

l 峰值輸出電流

l 峰值輸出電壓

l 峰值內(nèi)部 / 外部溫度

l 故障記錄狀態(tài)

組成一個(gè)多軌系統(tǒng)

大型多軌電源電路板一般由一個(gè)隔離式中間總線轉(zhuǎn)換器組成，將來自背板的 48V、24V 或其他相對(duì)較高的電壓轉(zhuǎn)換成較低的中間總線電壓 (IBV)，一般為 12V，該中間總線電壓被分配到 PC 板卡各處。單獨(dú)的負(fù)載點(diǎn) (POL) DC-DC 轉(zhuǎn)換器將 IBV 降至所需的軌電壓，軌電壓通常在 0.5V 至 5V 范圍，同時(shí)輸出電流范圍為 0.5A 至 120A。圖 5 顯示，怎樣用各種不同的凌力爾特控制器和 DC/DC 轉(zhuǎn)換器 PMBus 器件控制一個(gè)多軌系統(tǒng)。負(fù)載點(diǎn) DC/DC 轉(zhuǎn)換器可以是自含式模塊、單片器件，或者由 DC/DC 控制器 IC 以及有關(guān)的電感器、電容器和 MOSFET 組成解決方案。這些軌通常對(duì)排序、電壓準(zhǔn)確度、過流和過壓限制、裕度調(diào)節(jié)以及監(jiān)察有嚴(yán)格的要求。

圖 5：用來控制 15 個(gè)或更多軌的 LTpowerPlay 和 PMBus

SYSTEM HOST PROCESSOR WITH LTpowerPlay?：采用 LTpowerPlay 的系統(tǒng)主處理器

TO OTHER LTC3880s, LTC2974s AND LTC2978s：至其他 LTC3880、LTC2974 和 LTC2978RAIL 1：軌 1

電源管理的復(fù)雜性越來越高。具有超過 30 個(gè)軌的電路板并非不常見。這類電路板上組件排列已經(jīng)相當(dāng)密集，因此所增加的數(shù)字電源系統(tǒng)管理電路必須占用最少的電路板空間和外部引腳。該系統(tǒng)必須非常容易由用戶或系統(tǒng)主處理器進(jìn)行修改。LTC3880 可與凌力爾特其他 PMBus 監(jiān)察器、伴隨 IC 以及凌力爾特穩(wěn)壓器無縫配合，以實(shí)現(xiàn)復(fù)雜電路板的最佳控制。這些系統(tǒng)在初始配置完成后自主工作，或與主處理器通信，以獲取命令、實(shí)現(xiàn)控制并報(bào)告遙測(cè)數(shù)據(jù)。

凌力爾特 PMBus 控制器 (例如: LTC3880) 以及伴隨 IC (例如: LTC2978) 使得為任何數(shù)量的電源設(shè)定加電和斷電排序都非常容易。利用基于時(shí)間的算法，用戶能以任何順序和簡(jiǎn)單的可編程延遲動(dòng)態(tài)地對(duì)軌的接通和斷開排序。利用單線 SHARE_CLK 總線以及一個(gè)或多個(gè)雙向通用 IO (/GPIO) 引腳，也可以跨多個(gè)芯片排序。這極大地簡(jiǎn)化了系統(tǒng)設(shè)計(jì)，因?yàn)槎鄠€(gè)軌能以任何順序排序。還可以在以后增加額外的 PMBus 芯片，而不必?fù)?dān)心系統(tǒng)限制，例如連接器引腳數(shù)量有限等。PMBus 支持多個(gè)地址，從而在同一條 I2C 總線上允許連接超過 100 個(gè)獨(dú)特的器件。

軌接通的排序可以由響應(yīng)各種條件而觸發(fā)。例如，當(dāng)中間總線電壓超過所設(shè)定的門限 (VIN(ON)) 時(shí)，LTC3880 和 LTC2978 可以自動(dòng)排序?；蛘撸壗油ㄅ判蚩梢杂身憫?yīng) RUN / CONTROL 引腳的上升沿而啟動(dòng)。軌接通排序還可以由 PMBus 命令啟動(dòng)。

凌力爾特 PMBus 伴隨 IC 的故障引腳可以共享 LTC3880 上的 /GPIO 引腳，以控制軌之間的故障響應(yīng)相關(guān)性。例如，可以對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行配置，以使一個(gè)軌上的故障可以啟動(dòng)任何數(shù)量軌的停機(jī)。如果將故障響應(yīng)配置為“立即斷開、不進(jìn)行重試”，而且發(fā)生了一個(gè)故障，那么主處理器就必須采取行動(dòng)，以使這些軌重啟?；蛘撸绻收享憫?yīng)被設(shè)定為“立即斷開、無限重試”，而且發(fā)生了一個(gè)故障，那么斷開的軌就嘗試以用戶可編程的延遲和打嗝模式自主加電。故障響應(yīng)還可以設(shè)定為“忽略不計(jì)”，在這種情況下響應(yīng)故障時(shí)，/ALERT 引腳被拉低，以提醒主處理器出現(xiàn)了問題，但是電源繼續(xù)給負(fù)載供電。/GPIO 引腳還可以配置為電源良好狀態(tài)引腳，或配置為快速 UV 比較器輸出，以實(shí)現(xiàn)基于事件的排序。

LTpowerPlay 開發(fā)系統(tǒng)

基于 PC 的 LTpowerPlay 軟件開發(fā)系統(tǒng)全面支持 LTC3880 的控制功能，這允許設(shè)計(jì)師實(shí)時(shí)修改所有凌力爾特 PMBus 產(chǎn)品的配置值，而無需手動(dòng)給電路板更換連接線。圖 6 顯示了工作中的 LTpowerPlay，它控制了多個(gè)器件的多種功能，例如輸出電壓、保護(hù)限制和接通 / 斷開斜坡。其中還顯示了一些波形，包括多個(gè)軌