高性能低成本的數(shù)字電源管理介紹 - 全文

　　今天的網(wǎng)絡(luò)設(shè)備設(shè)計(jì)師面臨著開發(fā)時(shí)間迅速縮短和成本受到嚴(yán)格限制的壓力，但是人們?nèi)匀黄谕麄兡芡黄菩阅芟拗?，并增加功能。越來越多的網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)功能需要增加 ASIC 和處理器，而每個(gè) ASIC 和處理器都需要幾種電壓軌，從而導(dǎo)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(fù)雜的高可靠性應(yīng)用之關(guān)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(fù)雜的多軌系統(tǒng)進(jìn)行調(diào)試，從而可避免耗費(fèi)大量時(shí)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(nèi)測試 （ICT） 以及電路板開發(fā)與運(yùn)行狀況檢驗(yàn)工作大為簡化，這是因?yàn)楣碳兏稍?PC 上完成，而無需接觸電路板。數(shù)字電源管理為設(shè)計(jì)師提供了實(shí)時(shí)遙測數(shù)據(jù)和故障記錄，從而能實(shí)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(zhuǎn)換器允許設(shè)計(jì)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(biāo) （計(jì)算速度、數(shù)據(jù)傳輸速率等等） 的同時(shí)，還能優(yōu)化能源利用率。優(yōu)化可以在負(fù)載點(diǎn)、電路板和機(jī)架上，甚至在安裝階段進(jìn)行，從而同時(shí)降低了基礎(chǔ)設(shè)施成本和產(chǎn)品在整個(gè)壽命期內(nèi)的總體擁有成本。

　　本文探討了在網(wǎng)絡(luò)交換機(jī)和路由器、基站和服務(wù)器、以及工業(yè)和醫(yī)療設(shè)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(gè)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(fù)位 B 輸入

　　WATCHDOG TIMER INTERRUPT：看門狗定時(shí)器中斷信號

　　DC/DC CONVERTER：DC/DC 轉(zhuǎn)換器

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

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

　　**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(shí)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(shí)鐘總線以及一個(gè)或多個(gè)雙向故障引腳也可以跨多個(gè) LTC2974 排序 （參見圖 2）。這種方法極大地簡化了系統(tǒng)設(shè)計(jì)，因?yàn)橥ǖ滥馨凑杖魏雾樞蚺判?，而不管由哪一個(gè) LTC2974 提供控制。任何時(shí)間都可增加額外的 LTC2974，而不必?fù)?dān)心系統(tǒng)限制，例如子卡連接器引腳供應(yīng)受限。

　　圖 2：僅用兩條連接，就可以無縫地級聯(lián)多個(gè) LTC2974

　　SEQUENCE SUPPLIES UP IN ANY ORDER：以任何順序?yàn)殡娫醇与娕判?/p>

　　INDIVIDUAL MARGINING FOR ALL SUPPLIES：所有電源都可以單獨(dú)進(jìn)行裕度調(diào)節(jié)

　　SEQUENCE SUPPLIES DOWN IN ANY ORDER：以任何順序?yàn)殡娫磾嚯娕判?/p>

　　0.5V/DIV：每格 0.5V

　　AC-COUPLED：AC 耦合

　　加電排序可由各種條件響應(yīng)觸發(fā)。例如，當(dāng)下游 DC/DC POL 轉(zhuǎn)換器的中間總線電壓超過特定接通電壓時(shí)，LTC2974 就可以自動排序。或者，接通排序可以由控制引腳輸入的上升或下降沿啟動。該器件還可提供響應(yīng)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(jiān)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(yīng)的相關(guān)性。例如，如果發(fā)生短路，那么一個(gè)或多個(gè)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(yīng)時(shí)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(gè)外部二極管的溫度。LTC2974 可以設(shè)定為，如果這些量之中的任意一個(gè)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(yīng)，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(shí)器來監(jiān)視外部微控制器。有兩種超時(shí)時(shí)間間隔可用：第一次看門狗時(shí)間間隔和接續(xù)時(shí)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(shí)時(shí)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(yù)先確定的時(shí)間長度內(nèi)處于復(fù)位狀態(tài)，之后重新確定電源良好輸出。

　　利用準(zhǔn)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(zhǔn)確度的要求方面都會遇到麻煩。現(xiàn)在，低于 ±10mV 的絕對準(zhǔn)確度要求是常見的，從而必須在制造過程中微調(diào)輸出電壓，這是一個(gè)耗費(fèi)大量時(shí)間的過程。

　　原始設(shè)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(dǎo)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(zhǔn)確這個(gè)現(xiàn)實(shí)，使系統(tǒng)能在現(xiàn)場自我微調(diào)。LTC2974 的數(shù)字伺服環(huán)路從外部微調(diào)該模塊的輸出電壓，使其準(zhǔn)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(zhǔn)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(gè)溫度范圍內(nèi)提供卓越的電壓伺服準(zhǔn)確度

　　ERROR：誤差

　　THREE TYPICAL PARTS：3 款典型器件

　　TEMPERATURE：溫度

　　堅(jiān)固的系統(tǒng)得自非常容易的裕度調(diào)節(jié)

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

　　準(zhǔn)確和溫度補(bǔ)償?shù)?DCR 負(fù)載電流監(jiān)視

　　為了實(shí)現(xiàn)所希望的功耗節(jié)省，有必要總結(jié)出所有工作模式時(shí)的負(fù)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(diào)節(jié)內(nèi)核電壓。準(zhǔn)確實(shí)時(shí)的遙測極大地簡化了這種任務(wù)。

　　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(shí)多路轉(zhuǎn)換的 16 位 ?∑ ADC 監(jiān)視輸入和輸出電壓、輸出電流、以及內(nèi)部和外部二極管溫度。

　　由于內(nèi)核電壓越來越低這一趨勢，準(zhǔn)確測量負(fù)載電流已經(jīng)變成了一種挑戰(zhàn)，因?yàn)槭褂镁_的電流檢測電阻器可能導(dǎo)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(fù)雜性和成本。然而，電感器電阻與溫度有很大的相關(guān)性，而且準(zhǔn)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(zhuǎn)換器的熱像顯示了實(shí)際電感器溫度和溫度監(jiān)測點(diǎn)之間的差別

　　LTC2974 憑借正在申請專利的溫度補(bǔ)償算法，使準(zhǔn)確的 DCR 檢測成為可能，該算法補(bǔ)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(shí)差 （參見圖 5）。這個(gè)功能與 LTC2974 的低噪聲 16 位 ?∑ ADC 相結(jié)合，可利用 DCR 微乎其微的電感器實(shí)現(xiàn)負(fù)載電流的準(zhǔn)確測量 （參見圖 6）。

　　圖 5：LTC2974 用熱阻和延遲參數(shù)補(bǔ)償電感器自熱

　　INDUCTOR SELF-HEATING：電感器自熱

　　TIME：時(shí)間

　　圖 6：在整個(gè)溫度和輸出電流范圍內(nèi)，針對一款 DC/DC 轉(zhuǎn)換器的 LTC2974 總電流測量誤差

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

　　CURRENT SET POINT：電流設(shè)定點(diǎn)

　　基于 PC 的設(shè)計(jì)和故障診斷

　　當(dāng)與 LTpowerPlay? 軟件一起使用時(shí)，LTC2974 的故障和警報(bào)寄存器允許設(shè)計(jì)師 （和現(xiàn)場用戶） 一目了然地確定電源基礎(chǔ)設(shè)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(shí)間和 ADC 遙測最后 500ms 的數(shù)據(jù)。如果為響應(yīng)一個(gè)故障而禁止了某個(gè)通道，那么 LTC2974 的數(shù)據(jù)記錄可以存入受保護(hù)的 EEPROM 中。這個(gè) 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(shè)計(jì)師通過一個(gè)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(nèi)容。LTC2974 以這種方式提供了在關(guān)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(shí)，就隔離故障根源。就調(diào)試高可靠性系統(tǒng)的預(yù)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(dú)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(gè)加密狗卡配置 LTC2974。LTpowerPlay 軟件是免費(fèi)提供并可下載，允許設(shè)計(jì)師在一個(gè)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(chǎn)品上市。

　　一旦器件配置最終確定，設(shè)計(jì)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(yù)設(shè)定器件，從而使客戶能最便利地對電路板開發(fā)與運(yùn)行狀況進(jìn)行檢驗(yàn)。當(dāng)內(nèi)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(gè)纖巧的連接器，就允許 LTpowerPlay 軟件與 LTC2974 進(jìn)行系統(tǒng)內(nèi)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(jié)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(zhǔn)確度、豐富的功能和可擴(kuò)展的模塊化架構(gòu)。用 LTC2974 可以簡化復(fù)雜的多軌系統(tǒng)設(shè)計(jì)。該器件采用了業(yè)界標(biāo)準(zhǔn)的 PMBus 接口，可直接與功能強(qiáng)大、基于 PC 且免費(fèi)提供的 LTpowerPlay 控制軟件連接，并包括一個(gè)集成的 EEPROM 以實(shí)現(xiàn)徹底的定制化?？蛻艨捎?LTpowerPlay 設(shè)計(jì)工具設(shè)計(jì)應(yīng)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(yīng)用中產(chǎn)生安裝即用的預(yù)編程器件。