為什么選擇數字電源

　　引言

　　有經驗的數字電源用戶通常都會很清楚地認識到數字電源系統管理的好處。不過，就那些正在考慮數字電源對他們的產品是否有意義的用戶而言，數字電源的好處也許就不那么明顯了。他們提出的典型問題包括：當采用數字電源時，我們產品的上市時間會更長嗎？ 采用數字電源有多難？ 學習期多長？ 有額外成本嗎？ 我們的客戶會看重數字電源嗎？ 這種技術會打開新的市場嗎？ 如果我們不在產品線中采用數字電源，會落后嗎？ 他們需要知道這些問題的答案，以幫助決定采用數字電源時對最終應用是否為一個良好的選擇。

　　為什么使用數字電源？

　　在開發階段，用一個簡單的 PC 連接對模擬電源進行數字控制尤其有用，在這個階段，設計師需要讓系統迅速啟動和運行。可能有多達 30 個負載點 （POL）電壓軌，用戶要能非常容易地監視和調節電源電壓、對電源加電 / 斷電排序、設定工作電壓限制以及讀取電壓、電流、溫度等參數，并能通過數字接口獲取詳細的故障日志數據。在這類系統中，要對電壓軌保持嚴格控制并實現最高性能，高準確度極端重要。

　　在數據中心中，一個關鍵挑戰是： 通過重新安排工作流程并將作業轉移到未充分利用的服務器上，以關閉其他服務器，降低總體功耗。為了滿足這類要求，知道最終用戶設備的功耗是非常重要的。一個恰當設計的數字電源管理系統可以向用戶提供功耗數據，從而允許做出智能能量管理決策。

　　在今天的新式電子系統中，穩壓器的環境和工作狀態也許是最后一個需要了解的“盲點”，因為通常沒有辦法直接配置或遠程監視穩壓器的關鍵工作參數。要實現可靠工作，能檢測穩壓器輸出電壓隨時間的漂移或過熱情況并在潛在故障事件發生之前采取行動，這是至關重要的。一個良好設計的數字電源系統可以監視電壓穩壓器的性能，并報告穩壓器狀態是否正常，以便在超出規范或發生故障之前能采取糾正行動。

　　為了保護昂貴的 ASIC 不受可能出現的過壓情況的影響，高速比較器必須監視每個電壓軌的值，并在某個電壓軌超出規定的安全工作限度時，立即采取保護行動。在數字電源系統中，當發生故障時，可以通過 PMBus 警報線通知主機，而且相關的電壓軌可以關斷，以保護 ASIC 等受電設備。要實現這樣的保護，需要卓越的準確度和非常快的響應時間。

　　之所以采用數字電源管理是因為數字電源能提供有關電源系統的準確信息，而且能輕而易舉地自主控制和監察幾十個電壓。在一個復雜的系統板上，到處探測和監視 30 個負載點電壓可能是非常困難的。系統設計師一行代碼都不必編寫，除非他們需要主處理器讀取遙測數據，并進行簡單的故障干預。顯然，制造商需要為專門市場提供定制和經濟實惠的器件，這使新手和經驗老道的用戶都可以輕松使用。凌力爾特提供幾款數字電源產品，最近推出的 LTC3880 就是其中之一。

　　數字電源是正確選擇

　　LTC3880 和 LTC3880-1 是雙輸出高效率同步降壓型 DC/DC 控制器，具基于 I2C 的 PMBus 接口，用于數字電源系統管理。這兩款器件同時提供同類最佳的模擬開關穩壓器性能和精確的混合信號數據轉換，以方便電源系統設計和管理，LTpowerPlay 軟件開發系統支持這兩款器件，該系統具有易用的圖形用戶界面 （GUI）。

　　LTC3880 / LTC3880-1 允許對實時控制進行數字設定和回讀，并允許監視關鍵負載點轉換器的功能。可編程控制參數包括輸出電壓、裕度調節和電流限制、輸入和輸出檢查限制、加電排序和跟蹤、開關頻率以及識別和可跟蹤性數據。內置的精確數據轉換器及 EEPROM 允許捕獲穩壓器配置設定值和遙測變量，包括輸入和輸出電壓及電流、占空比、溫度以及故障日志，并對其進行非易失性存儲。

　　LTC3880/-1 具模擬控制環路，可實現最佳環路穩定性和最快速的瞬態響應，而且沒有較慢的數字控制環路中常見的量化效應。這些器件可以提供兩個獨立的輸出，或配置為提供兩相單輸出。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，從而最大限度地為大電流和 / 或多輸出應用降低輸入和輸出濾波要求。一個集成的放大器提供真正差分遠端輸出電壓取樣，從而實現了準確度很高的調節，而且不受電路板 IR 壓降的影響。圖 1 顯示了一個典型應用，該應用利用 LTC3880 從 12V 總線電壓產生 1.8V/20A 和 3.3V/15A。

　　圖 1：LTC3880 應用原理圖

　　利用凌力爾特公司基于圖形用戶界面的 LTpowerPlay開發軟件，LTC3880/-1 的配置非常容易通過器件的 I2C 串行接口保存到內部 EEPROM 中。片內上存儲器允許特定用戶設置。此外，這些控制器還能自主加電，而不會增加主處理器的負擔。輸出電壓、開關頻率、相位以及器件地址的默認設置可選擇由外部電阻分壓器配置。LTC3880/-1 具內置的 16 位 ADC，提供了同類最佳的可編程性和遙測回讀。

　　設定 LTC3880/-1 的分辨率和遙測準確度

　　LTC3880/-1 的編程分辨率

　　VOUT 命令

　　? 12 位分辨率

　　? 5.5V 范圍，每步進 1.375mV

　　? 2.75V 范圍，每步進 687uV

　　電流限制設定點

　　? 3 位分辨率，±5mV 的準確度

　　? 25mV 至 75mV 范圍

　　OV/UV VOUT 監察器

　　? 8 位分辨率，±2% 的準確度

　　OV/UV VIN 監察器

　　? 8 位分辨率，±2% 的準確度

　　LTC3880/-1 遙測分辨率

　　輸入電流

　　? 16 位分辨率

　　? 每相位及合計

　　VIN

　　? 16 位分辨率，±2% 的準確度

　　VOUT

　　? 16 位分辨率，±0.5% 的準確度

　　IOUT

　　? 16 位分辨率

　　? 6mV VSENSE 時準確度為 ±1%

　　? DCR 的校準因數

　　LTC3880/-1 具內置的集成式 MOSFET 柵極驅動器，以在 4.5V 至 24V 的輸入電壓范圍內驅動全 N 溝道功率 MOSFET，而且在整個工作溫度范圍內，這些器件能以每相位高達 30A 的輸出電流，在 0.5V 至 5.5V 的輸出電壓范圍內，提供 ±0.50% 的準確度。LTC3880/-1 還可以驅動電源構件或 DR MOS 器件。LTC3880/-1 的最短接通時間僅為 90ns，使其非常適用于緊湊型高頻 / 高降壓比應用。跨多個芯片的準確定時和基于事件的排序允許優化復雜的多軌系統的加電和斷電。

　　LTC3880 具一個內置的 LDO。LTC3880-1 允許使用外部偏置電壓，以實現最高效率。這兩款器件都采用耐熱增強型 6mm x 6mm QFN-40 封裝，具 -40°C 至 105°C 的工作節溫范圍。

　　真實應用的數字系統管理

　　大型多軌電源電路板通常由一個隔離式中間總線轉換器組成，該轉換器將 48V、24V 或其他背板電壓轉換到較低的中間總線電壓 （IBV），一般為 12V，該 12V 電壓分配到 PC 板卡各處。每個負載點 DC-DC 轉換器將中間總線電壓降至所需的軌電壓，一般在 0.6V 至 5V 范圍，同時電流范圍為 0.5A 至 120A。圖 2 顯示了怎樣用凌力爾特各種不同的控制器和 DC/DC 轉換器控制一個多軌系統。負載點 DC/DC 可以是自含式模塊、單片器件或由多個具電感、電容及 MOSFET 的 DC-DC 控制器 IC 組成的解決方案。這些電壓軌通常對排序、電壓準確度、過流和過壓限制、裕度控制以及監察有嚴格要求。

　　圖 2：有關怎樣通過一條 I2C / PMBus 控制 15 個電壓軌的方框圖

　　顯然，電源管理的復雜性在提高，而且有超過 30 個軌的電路板并非不常見。這類電路板是密集排列的，而且數字電源系統管理電路必須不占用太大的電路板空間。該電路必須易于使用，而且能控制大量軌。凌力爾特的 LTC2978 兼有與 LTC3880/-1 及 LTC2874 一起工作必需的所有功能，以在單段 I2C 總線上控制多達 72 個電壓。LTC3880/-1 控制、監視并產生兩個大電流軌。LTC2978 控制并監視多達 8 個軌，而 LTC2974 控制并監視 4 個軌。這樣的解決方案必須自主工作，或與系統主處理器通信以獲取命令、實現控制并報告遙測數據。圖 3 顯示了控制 DC/DC 轉換器的 LTC2978 的一個通道。

　　圖 3：LTC2978 控制一個外部 DC/DC 轉換器

　　開發 PMBus 命令語言是為滿足大型多軌系統的需求。除了一套定義完備的標準