緊湊的 PCB 面積內(nèi)也可實(shí)現(xiàn)高功率的數(shù)字控制與遙測(cè)功能

引言

對(duì)于任何人來說，數(shù)字電源系統(tǒng)管理 (DPSM) 在通信和計(jì)算機(jī)行業(yè)內(nèi)的持續(xù)采用，在很大程度上繼續(xù)由位于其系統(tǒng)架構(gòu)核心的 20nm 以下 ASIC 和 / 或 FPGA 所需之高電流水平驅(qū)動(dòng)都是不足為奇的。我們以下一代數(shù)據(jù)中心交換機(jī)中使用的最新 ASIC 為例來說明；它們?yōu)槟切﹤鬏?100Mbit/s 至 100Gbit/s 以太網(wǎng)和 32Gbit/s 光纖通道流量的端口實(shí)現(xiàn)了一組更加靈活的接口。這使得能夠把較高密度的 100G 端口放入單個(gè)機(jī)架單元中。除此之外，這些 20nm 以下工藝還允許把超過 20Mbyte 的存儲(chǔ)器置于 ASIC 自身之上，從而有可能免除增設(shè)外部存儲(chǔ)器的需要，并節(jié)省電路板空間及成本。

然而，此類通信設(shè)備的系統(tǒng)架構(gòu)設(shè)計(jì)師正被迫提高其系統(tǒng)的數(shù)據(jù)吞吐量和性能，也在被迫增加功能和特性。與此同時(shí)，他們也面臨著降低系統(tǒng)總體功耗的壓力。例如，一個(gè)典型的挑戰(zhàn)便是通過重新安排工作流程，將作業(yè)轉(zhuǎn)移到未充分利用的服務(wù)器上，從而允許其他服務(wù)器關(guān)機(jī)，以此降低總體功耗。為了滿足這些需求，知道最終用戶設(shè)備的功耗是至關(guān)重要的。于是，一個(gè)設(shè)計(jì)得當(dāng)?shù)臄?shù)字電源管理系統(tǒng)能為用戶提供功耗數(shù)據(jù)，從而允許智能地做出能量管理決策。這是對(duì)數(shù)據(jù)中心的一項(xiàng)關(guān)鍵的要求，這里，負(fù)責(zé)控制內(nèi)部環(huán)境溫度之 HVAC 系統(tǒng)的電力成本是很重要的。在現(xiàn)實(shí)中，此類成本每個(gè)月可達(dá)幾百萬美元。

系統(tǒng)挑戰(zhàn)

當(dāng)數(shù)字電源正確使用時(shí)，它能夠降低設(shè)備功耗、縮短產(chǎn)品上市時(shí)間、擁有卓越的穩(wěn)定性和瞬態(tài)響應(yīng)、并提高整體系統(tǒng)可靠性。

DPSM 一項(xiàng)主要的優(yōu)勢(shì)是能夠降低設(shè)計(jì)成本和加快產(chǎn)品上市進(jìn)程。采用一種具有直觀圖形界面 (GUI) 的綜合開發(fā)環(huán)境，即可以高效地開發(fā)復(fù)雜的多電壓軌系統(tǒng)。另外，此類系統(tǒng)還可利用 GUI 而不是在 “白色導(dǎo)線” 固定點(diǎn)上進(jìn)行焊接來實(shí)現(xiàn)更改，從而簡(jiǎn)化了在線測(cè)試 (ICT) 和電路板調(diào)試工作。另一個(gè)益處是，由于有實(shí)時(shí)遙測(cè)數(shù)據(jù)可用，因此可預(yù)測(cè)電源系統(tǒng)的故障，并采取預(yù)防性措施。也許最重要的是，具數(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)，這種系統(tǒng)可滿足目標(biāo)性能要求 (計(jì)算速度、數(shù)據(jù)速率等)，而且在負(fù)載點(diǎn)、電路板、機(jī)架甚至安裝級(jí)上的能量消耗極少，從而降低了基礎(chǔ)設(shè)施成本和產(chǎn)品整個(gè)壽命期的總擁有成本。

許多電信和數(shù)據(jù)通信系統(tǒng)通過一塊 48V 背板供電。一般將該電壓降壓至一個(gè)較低的中間總線電壓 (通常為 12V 至 3.3V)，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 需要在 1V 以下到 3.3V 的電壓范圍和幾十毫安至幾百安培的電流范圍內(nèi)工作。因此，為實(shí)現(xiàn)從中間總線電壓至子電路或 IC 所需之期望電壓的降壓，負(fù)載點(diǎn) (PoL) DC/DC 轉(zhuǎn)換器是必要的。這些電源軌對(duì)于排序、電壓準(zhǔn)確度、裕度調(diào)節(jié)和監(jiān)控具有嚴(yán)格的要求。

在一個(gè)電信系統(tǒng)中會(huì)有多達(dá) 50 個(gè) PoL 電壓軌，而且系統(tǒng)架構(gòu)設(shè)計(jì)師需要一種相對(duì)于其輸出電壓、排序和最大可容許電流來管理這些電壓軌的簡(jiǎn)單方法。某些處理器要求其 I/O 電壓在其內(nèi)核電壓之前上升，另一種情況是某些 ASIC 和 DSP 要求其內(nèi)核電壓的上升先于其 I/O 電壓。斷電排序也是必要的。設(shè)計(jì)師需要一種做出變更以優(yōu)化系統(tǒng)性能和為每個(gè) DC/DC 轉(zhuǎn)換器存儲(chǔ)一種特定配置的簡(jiǎn)易方式，旨在簡(jiǎn)化設(shè)計(jì)工作。

此外，為避免昂貴的 FPGA、ASIC 和 DSP 遭遇過壓情況的可能性，高速比較器必須監(jiān)視每個(gè)電源軌的電壓電平，并在某個(gè)電源軌超出其規(guī)定的安全工作限制范圍時(shí)立即采取保護(hù)性措施。在數(shù)字供電型系統(tǒng)中，當(dāng)出現(xiàn)某種故障時(shí)可通過 PMBus 警示線路通知主機(jī)，并且能夠把相關(guān)的電壓軌關(guān)斷以保護(hù) FPGA 等受電器件。實(shí)現(xiàn)這種保護(hù)等級(jí)需要合理的準(zhǔn)確度和大約幾十微秒的響應(yīng)時(shí)間。

由于要面對(duì)這些挑戰(zhàn)，因此凌力爾特決定開發(fā)一個(gè) PSM 產(chǎn)品線，其包括具集成型功率 FET 柵極驅(qū)動(dòng)器和豐富齊全之電源管理功能 (通過基于 I2C 的 PMBus 來使用) 的同步降壓型 DC/DC 控制器。這些功能包括高精度基準(zhǔn)和可提供 ±0.5% DC 準(zhǔn)確度的溫度補(bǔ)償型模擬電流模式控制環(huán)路、經(jīng)過校準(zhǔn)以不受工作條件之影響的簡(jiǎn)易型補(bǔ)償、逐周期電流限制、快速和準(zhǔn)確的均流、以及針對(duì)線路電壓和負(fù)載瞬變的響應(yīng)，并不存在任何與 ADC 量化相關(guān)聯(lián)的誤差，此類誤差是采用 “數(shù)字” 控制之產(chǎn)品中所常見的。該產(chǎn)品線的某些產(chǎn)品還內(nèi)置了可提供輸入和輸出電壓及電流、占空比和溫度之?dāng)?shù)字回讀的 16 位數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)。另外，還整合了通過一個(gè)中斷標(biāo)記及一個(gè) “黑匣子” 記錄器 (其負(fù)責(zé)存儲(chǔ)發(fā)生某種故障之前的轉(zhuǎn)換器工作狀況) 實(shí)現(xiàn)的故障記錄功能。最后，多電源軌系統(tǒng)的開發(fā)工作借助凌力爾特的 LTpowerPlay® 開發(fā)軟件和 GUI 界面得到了簡(jiǎn)化。

針對(duì)復(fù)雜問題的簡(jiǎn)單解決方案

那么，為給其最終產(chǎn)品配置一款數(shù)字電源系統(tǒng)管理解決方案，系統(tǒng)架構(gòu)設(shè)計(jì)師必須做些什么呢? 主要目標(biāo)之一將是設(shè)計(jì)一個(gè)系統(tǒng)，以便能夠通過一根數(shù)字通信總線容易地對(duì)其實(shí)施配置和監(jiān)視。這將通過使用下面三者之一來實(shí)現(xiàn)：I2C、SMBus 或 PMBus。這些總線的任一種都能啟用按需遙測(cè)能力以設(shè)定、監(jiān)視、變更和記錄系統(tǒng)內(nèi)任何 PoL 轉(zhuǎn)換器配置的電源參數(shù)。這樣一個(gè)系統(tǒng)的簡(jiǎn)化瞬像示于圖 1。

圖 1：典型數(shù)字電源系統(tǒng)管理系統(tǒng)配置

在該例中可見，PoL 轉(zhuǎn)換器示出了 3 種不同的拓?fù)渑渲?。在該圖的上部，一個(gè)電源系統(tǒng)管理器芯片與一個(gè)傳統(tǒng)的 DC/DC 轉(zhuǎn)換器一起使用。DC/DC 轉(zhuǎn)換器可以是任何拓?fù)洳⒕哂腥魏渭啥?，因?yàn)殡娫聪到y(tǒng)管理器將允許利用通信總線對(duì)其進(jìn)行接口、控制和監(jiān)視。位于該圖中部的 PoL 轉(zhuǎn)換器顯示了一種增加的集成度，即：DC/DC 轉(zhuǎn)換器內(nèi)置了電源系統(tǒng)管理功能電路 (在同一個(gè)封裝中)。最后，該圖中最下面的那個(gè) PoL 轉(zhuǎn)換器是一款緊湊型模塊，它把電源系統(tǒng)管理器、DC/DC 轉(zhuǎn)換器以及所有其關(guān)聯(lián)的外部組件整合成單個(gè) IC (凌力爾特把它們稱為µModule® 穩(wěn)壓器)。

凌力爾特的µModule DC/DC 穩(wěn)壓器可提供一種同時(shí)提供高功率輸出和 DPSM 功能的簡(jiǎn)單和有效之方法。由于可容易地通過并聯(lián)多個(gè) µModule 穩(wěn)壓器以提供高電流輸出 (各個(gè)通道彼此之間的電流匹配準(zhǔn)確度標(biāo)稱值在 1% 以內(nèi))，從而降低了產(chǎn)生熱點(diǎn)的可能性。而且，只有其中一個(gè) µModule 穩(wěn)壓器必需具備 DPSM 能力，原因是即使并聯(lián)的 µModule 未內(nèi)置固有的 DPSM，它也能提供完整的數(shù)字接口。圖 2 示出了一個(gè) LTM4677 (36A DPSM µModule) 與 3 個(gè) LTM4650 (50A µModule) 相并聯(lián)的應(yīng)用電路原理圖。

圖 2：一個(gè) LTM4677 DPSM 模塊與三個(gè) LTM4650 模塊的組合可從一個(gè)標(biāo)稱 12V 輸入提供 186A 和 1V 輸出

用于 DPSM 產(chǎn)品的 LTpowerPlay 通用型 GUI

采用 DPSM 產(chǎn)品構(gòu)建之系統(tǒng)的一個(gè)主要優(yōu)勢(shì)在于：借助合適的 GUI 可以容易地與系統(tǒng)內(nèi)部的每個(gè)個(gè)別 PoL 轉(zhuǎn)換器進(jìn)行通信。因此，從一開始凌力爾特就決定開發(fā)一款作為完整開發(fā)平臺(tái)的 GUI，該 GUI 可容易地與凌力爾特在其 DPSM 產(chǎn)品庫中提供的所有不同類型產(chǎn)品一起使用，即基于 LTpowerPlay 窗口的開發(fā)環(huán)境。該軟件不僅使得能夠容易地同時(shí)控制和監(jiān)視多個(gè)支持 PMBus 的凌力爾特器件，而且還允許通過把系統(tǒng)參數(shù)下載到個(gè)別器件的內(nèi)部 EEPROM 實(shí)時(shí)地完成 DC/DC 轉(zhuǎn)換器配置的更改。這通過允許利用軟件來調(diào)整系統(tǒng)配置 (而不是求助于用焊烙鐵換出組件并重新進(jìn)行電路板布線的費(fèi)時(shí)傳統(tǒng)！) 縮短了設(shè)計(jì)開發(fā)時(shí)間。但事情還不止于此，一旦在現(xiàn)場(chǎng)部署了某個(gè)終端系統(tǒng) (例如：數(shù)據(jù)中心)，則監(jiān)管員通過一個(gè)采用該 GUI 的適用接口簡(jiǎn)單地更新 PoL 轉(zhuǎn)換器的工作參數(shù)可實(shí)時(shí)地調(diào)整系統(tǒng)。圖 3 示出了用戶詢問其系統(tǒng)時(shí)將會(huì)看到凌力爾特 LTpowerPlay 功能控制頁的典型屏幕截圖。

凌力爾特所有的 PMBus 產(chǎn)品均由該軟件開發(fā)系統(tǒng)提供支持，它能夠在初始開發(fā)階段及隨后在用戶現(xiàn)場(chǎng)實(shí)施安裝時(shí)幫助設(shè)計(jì)人員快速完成系統(tǒng)的調(diào)試。其可簡(jiǎn)便快捷地實(shí)現(xiàn)電源電壓、限值和排序的監(jiān)視、控制和調(diào)整。而且，采用幾個(gè)標(biāo)準(zhǔn)的 PMBus 命令還可以容易地完成生產(chǎn)裕度測(cè)試。

圖 3：LTpowerPlay GUI 之典型功能控制頁屏幕截圖的瞬像

結(jié)論

在當(dāng)今的數(shù)據(jù)通信和電信系統(tǒng)中具備 DPSM 功能可為系統(tǒng)架構(gòu)設(shè)計(jì)師提供一種簡(jiǎn)單和強(qiáng)而有力的方法，僅使用 4 個(gè) µModule 穩(wěn)壓器就能為最新的 20nm 以下 ASIC 和 FPGA 之 1.xV 內(nèi)核電壓提供 180W 以上的功率。如圖 2 所示，通過以一種多相配置組合使用 LTM4677 和 3 個(gè) LTM4650，不僅節(jié)省了昂貴的 PCB 面積資源，還由于其整體工作效率之高而減少了所需的冷卻量。此外，DPSM 的軟件可編程性還顯著地縮短了通常與這種努力相關(guān)聯(lián)的調(diào)試時(shí)間。這降低了基礎(chǔ)設(shè)施成本和產(chǎn)品整個(gè)壽命期的總擁有成本。雖然這沒有調(diào)試硬件系統(tǒng)時(shí)采用電烙鐵重新布線之傳統(tǒng)方法的那些樂趣，但是其方便而且節(jié)省時(shí)間的特性非常引人注目而不容忽視。

本文作者：

Tony Armstrong

凌力爾特公司 電源產(chǎn)品 產(chǎn)品市場(chǎng)主管