數字電源系統管理消除了“盲點”

背景

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

憑借通過一個計算機接口設置和監視電源各種參數的能力，數字電源系統管理正在逐步打開這一盲點?？删幊虆蛋ㄝ敵鲭妷骸⑴判?、跟蹤、多個電源軌的延遲和斜坡、過流限值以及過壓設定點和工作頻率。此外，數字電源系統管理還能回讀遠端采樣數據并匯報輸入電壓、輸出電壓 / 電流、溫度甚至故障情況。

網絡設備的系統設計師正面臨著提升其系統的數據吞吐量和性能并增加功能及特點的壓力。與此同時，如何減少系統的總功耗也是其必需應對的難題。在數據中心里，人們所面對的挑戰是需要通過重新編排工作流程并將某些任務轉移至那些工作量不足的服務器 (從而可將其他的服務器關斷) 來降低總功耗。為了滿足這些需求，了解終端用戶設備的功耗是非常重要的。正確設計的數字電源管理系統能夠為用戶提供功耗數據，這樣就可以做出靈活的能量管理決策。

多軌板級電源系統

大多數嵌入式系統均通過一塊 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)，以為系統內部的電路板支架供電。然而，這些電路板上的大多數子電路或 IC 都需要在 1V 以下至 3.3V 的電壓范圍以及數十 mA 至數百 A 的電流范圍內運作。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 轉換器是必不可少的。這些電源軌通常具有嚴格的排序、電壓準確度、裕度調節和監控要求。

在數據通信、電信或存儲系統中存在多達 20 個 POL 電壓軌的情況并不少見，系統設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 電壓在其內核電壓之前上升，而有些 DSP 則要求其內核電壓先于其 I/O 電壓上升。斷電排序也是不可或缺的。因此，設計人員需要一種簡便易行的調整方法以優化系統性能并存儲用于每個 DC/DC 轉換器的特定配置，從而達到簡化設計工作的目的。

為了避免昂貴的 ASIC 遭受過壓情況的可能性，高速比較器必須監視每個電源軌的電壓電平，并在某個電源軌超出其規定的安全操作限值范圍時立即采取保護措施。在數字電源系統中，可以在發生故障時通過 PMBus 報警線路通知主機，并可將有關的電源軌關斷以對諸如 ASIC 等受電器件實施保護。實現這種保護水平需要比較好的準確度以及大約數十 μs 的響應時間。

凌力爾特公司近期推出的 LTC3880/-1 提供了高度準確的數字電源系統管理，并利用其高分辨率可編程性及快速遙測回讀實現了實時控制以及關鍵負載點轉換器功能的監視。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 多條命令和內置 EEPROM。LTC3880/-1 整合了同類最佳的模擬開關穩壓控制器性能和高精度混合信號數據轉換，可實現電源系統設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 軟件開發系統的支持。圖 1 示出了典型的 LTC3880 應用原理圖。

圖 1：LTC3880 的典型應用原理圖

LTC3880/-1 可調節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，以在多個 IC 之間實現準確的均流，從而最大限度地放寬大電流或多輸出應用的輸入和輸出濾波要求。一個內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，在輸出電流高達每相 30A 時，該器件可產生準確度為 ±0.50% 并高達 5.5V 的輸出電壓?？缍鄠€芯片的準確定時和基于事件的排序允許優化復雜和多軌系統的上電和斷電。LTC3880 具有一個用于控制器和柵極驅動電源的內置 LDO，而 LTC3880-1 則允許用外部偏置電壓實現最高效率。這兩款器件都采用耐熱性能增強型 6mm x 6mm QFN-40 封裝。

用于數字電源系統管理的控制接口

PMBus 命令語言專為滿足大型多軌系統的需要而開發，是一種采用完全定義的命令語言之開放標準電源管理協議，可簡化與功率轉換器、電源管理器件及系統主處理器的通信。除了一組精確定義的標準命令之外，符合 PMBus 標準的器件還能夠執行其特有的專用命令，以提供一種對 POL DC/DC 轉換器進行編程和監視的創新型方法。該協議通過業界標準的 SMBus 串行接口來執行，并實現了功率轉換產品的編程、控制和實時監視。命令語言和數據格式標準化可實現簡易的固件開發，從而加快了產品的面市進程。如需了解更多信息，請登錄 http://pmbus.org 網站查詢。

LTC3880/-1 的可編程控制參數包括輸出電壓、裕度調節、電流限值、輸入和輸出監控限值、上電排序和跟蹤、開關頻率、識別及可追溯性數據。片內高精度數據轉換器和 EEPROM 允許捕獲穩壓器配置設定值和遙測變量值，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、其高分辨率、遙測回讀能力和替代解決方案。

表 1：某些 LTC3880/-1 可編程參數以及遙測回讀能力和準確度

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。輸出電壓、開關頻率、相位和器件地址的缺省設置可以選擇通過外部電阻分壓器進行配置。多種設計可以非常容易地在固件中校準和配置，以為一系列應用優化單個硬件設計。

模擬控制環路

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

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

圖 2：LTC3880 的模擬控制環路與數字控制環路的比較

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

圖 3：25A 階躍時模擬控制環路與數字控制環路的瞬態響應比較 (對于一個工作頻率為 400kHz 的 12VIN 至 1.2VOUT DC/DC 轉換器)。

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

結論

數字電源系統管理的主要優點之一是能夠減低設計成本和加快產品的上市速度。通過采用一種具直觀圖形用戶界面 (GUI) 的集成開發環境，可以高效地開發復雜的多軌系統。此類系統還通過利用 GUI (而不是焊接裝配) 進行調整而簡化了在線測試 (ICT) 和電路板調試。

數字電源系統管理的另一個優點是具備預知電源系統故障并啟動保護性措施的潛力，這得益于實時遙測數據的提供。也許最重要的一點是：具有數字管理功能的 DC/DC 轉換器將使得設計人員能夠開發出“綠色”電源系統，此類電源系統可滿足目標性能、且能夠通過重新編排工作流程并將某些任務轉移至那些工作量不足的服務器 (從而可將其他的服務器關斷) 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設施成本以及產品生命周期中的總擁有成本。