通信設(shè)備制造商需要高功率輸出和小尺寸解決方案

簡介

許多通信系統(tǒng)通過48 V背板供電。此電壓通常會(huì)降至較低的中間母線電壓，通常降至12 V、5 V甚至更低，以便為系統(tǒng)內(nèi)的電路板機(jī)架供電。但是，這些電路板上的大部分子電路或IC都需要在3.x V到低至0.5 V的電壓范圍內(nèi)工作，且電流從幾十毫安到幾百安培不等。因此，要從這些較高的母線電壓降至子電路或IC所需的較低電壓，必須使用負(fù)載點(diǎn)（PoL） DC/DC轉(zhuǎn)換器。除了這本身的難度外，這些電軌還有嚴(yán)格的時(shí)序、電壓精度、裕量和監(jiān)控要求也需要考慮！

由于通信設(shè)備中可能有數(shù)百個(gè)PoL電壓軌，系統(tǒng)架構(gòu)師需要通過一種簡單的方法來管理這些電軌的輸出電壓、時(shí)序和最大允許電流。如今的許多深亞微米IC數(shù)字處理器要求它們的I/O電壓在其內(nèi)核電壓之前升高。另一方面，許多DSP要求它們的內(nèi)核電壓在I/O之前得到提升。此外，關(guān)斷時(shí)序也是必不可少的。因此，系統(tǒng)架構(gòu)師需要通過一種輕松的方法來進(jìn)行更改以優(yōu)化系統(tǒng)性能，并為每個(gè)DC/DC轉(zhuǎn)換器存儲(chǔ)特定的配置，以便簡化設(shè)計(jì)工作。

而且，大多數(shù)通信設(shè)備制造商都在壓力的驅(qū)使下提高其系統(tǒng)的數(shù)據(jù)吞吐率和性能，以及添加更多的功能和特性。同時(shí)，他們也面臨著降低系統(tǒng)總功耗的壓力。例如，常見的挑戰(zhàn)包括，為了降低總功耗，需要重新安排工作流程并將作業(yè)轉(zhuǎn)移到未充分利用的服務(wù)器，從而使其他服務(wù)器能夠關(guān)閉。要滿足這些需求，了解終端用戶設(shè)備的功耗是非常必要的。因此，經(jīng)過恰當(dāng)設(shè)計(jì)的數(shù)字電源管理系統(tǒng)（DPSM）可以向用戶提供功耗數(shù)據(jù)，幫助做出明智的能源管理決策。

DPSM的一個(gè)主要優(yōu)勢是降低了設(shè)計(jì)成本并縮短了上市時(shí)間。要高效地開發(fā)復(fù)雜的多軌系統(tǒng)，可以使用具有直觀圖形用戶界面（GUI）的全面開發(fā)環(huán)境。此類系統(tǒng)支持通過GUI進(jìn)行更改，而不是焊接修復(fù)白線，因此也簡化了電路內(nèi)測試（ICT）和電路板調(diào)試。另一個(gè)優(yōu)勢是可以通過提供的實(shí)時(shí)遙測數(shù)據(jù)預(yù)測電源系統(tǒng)故障并采取預(yù)防措施。也許最重要的是，具有數(shù)字管理功能的DC/DC轉(zhuǎn)換器允許設(shè)計(jì)人員開發(fā)符合目標(biāo)性能（計(jì)算速度、數(shù)據(jù)速率等）的綠色電源系統(tǒng)，且最大限度地減少在負(fù)載點(diǎn)、電路板、機(jī)架甚至安裝層面上使用的能源，從而降低基礎(chǔ)設(shè)施成本和產(chǎn)品使用壽命周期的總擁有成本。畢竟，數(shù)據(jù)中心最大的運(yùn)營成本是用于為冷卻系統(tǒng)供電的電力成本，目的是使數(shù)據(jù)中心內(nèi)部低于其預(yù)定的最佳運(yùn)行溫度。

此外，系統(tǒng)架構(gòu)師仍然需要使用一些相對簡單的功率轉(zhuǎn)換器來滿足電路板上的各種其他供電軌的要求，但放置這些供電軌的電路板面積在不斷縮小。其部分原因是無法將這些轉(zhuǎn)換器裝在電路板底部，因?yàn)闄C(jī)架安裝配置中有多個(gè)電路板并排放置，迫使其最大組件高度限制為2 mm。他們真正想要的是一個(gè)小尺寸的完整電源，安裝到印刷電路板（PCB）后不超過2 mm。幸運(yùn)的是，這種解決方案確實(shí)存在，本文將進(jìn)行更詳細(xì)的討論。

轉(zhuǎn)換器解決方案

ADI公司的Power by Linear? μModule?穩(wěn)壓器是完整的系統(tǒng)化封裝（SiP）解決方案，可最大限度地縮短設(shè)計(jì)時(shí)間，解決通信系統(tǒng)中常見的電路板空間和功率密度問題。這些μModule產(chǎn)品是完整的電源管理解決方案，在緊湊型表貼BGA或LGA封裝內(nèi)集成DC-DC控制器、功率晶體管、輸入和輸出電容、補(bǔ)償組件和電感。利用Power by Linear μModule產(chǎn)品進(jìn)行設(shè)計(jì)可以將完成設(shè)計(jì)過程所需的時(shí)間減少多達(dá)50%，具體取決于設(shè)計(jì)的復(fù)雜程度。此μModule穩(wěn)壓器系列將元件選型、優(yōu)化和布局等設(shè)計(jì)負(fù)擔(dān)從設(shè)計(jì)人員轉(zhuǎn)移到器件上，從而縮短整體設(shè)計(jì)時(shí)間，減少系統(tǒng)故障，最終加快產(chǎn)品上市時(shí)間。

這些μModule解決方案將分立式電源、信號鏈和隔離設(shè)計(jì)中常用的關(guān)鍵元件集成在緊湊的IC式外形尺寸中。在Power by Linear嚴(yán)格的測試和高可靠性流程的支持下，我們的μModule產(chǎn)品系列簡化了電源管理和功率轉(zhuǎn)換的設(shè)計(jì)和布局。此產(chǎn)品系列涵蓋了廣泛的應(yīng)用，包括負(fù)載點(diǎn)穩(wěn)壓器、電池充電器、DPSM產(chǎn)品（PMBus數(shù)字管理電源）、隔離式轉(zhuǎn)換器和LED發(fā)光二極管驅(qū)動(dòng)器。作為高集成度解決方案且每個(gè)器件都提供PCB Gerber文件，這些μModule功率調(diào)節(jié)器可在滿足時(shí)間和空間限制的同時(shí)提供高效率和高可靠性。此外，我們許多較新的產(chǎn)品還可實(shí)現(xiàn)符合EN 55022 B類標(biāo)準(zhǔn)的低EMI解決方案。這讓系統(tǒng)設(shè)計(jì)人員能夠確信終端系統(tǒng)將滿足嚴(yán)格的噪聲性能判據(jù)，從而符合最終系統(tǒng)必須滿足的許多抗噪行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)。

再者，隨著設(shè)計(jì)資源因?yàn)橄到y(tǒng)復(fù)雜性的提高和設(shè)計(jì)周期的縮短而變得緊張，關(guān)注重點(diǎn)落在了系統(tǒng)關(guān)鍵知識產(chǎn)權(quán)的開發(fā)上。這常常意味著電源被放到一邊，直到開發(fā)周期的后期才被顧及。由于時(shí)間很短，而且專業(yè)電源設(shè)計(jì)資源可能有限，因此迫切需要開發(fā)出尺寸盡可能小的高效率解決方案，同時(shí)要對PCB的反面加以運(yùn)用，使空間利用率最大化。

這是μModule穩(wěn)壓器可以提供理想解決方案的關(guān)鍵領(lǐng)域。此概念內(nèi)部復(fù)雜，但外部簡單——既有開關(guān)穩(wěn)壓器的效率，又有線性穩(wěn)壓器的易設(shè)計(jì)性。認(rèn)真負(fù)責(zé)的設(shè)計(jì)、PCB布局和元件選擇對于開關(guān)穩(wěn)壓器設(shè)計(jì)非常重要，很多經(jīng)驗(yàn)豐富的設(shè)計(jì)人員在職業(yè)生涯的早期聞到了電路板燃燒的獨(dú)特香味。當(dāng)時(shí)間短或電源設(shè)計(jì)經(jīng)驗(yàn)不足時(shí)，現(xiàn)成的μModule穩(wěn)壓器既可節(jié)省時(shí)間和空間，又可降低項(xiàng)目風(fēng)險(xiǎn)。

超薄μModule解決方案的一個(gè)最新范例是LTM4622。這是一個(gè)雙2.5 A或兩相單5 A輸出降壓型功率調(diào)節(jié)器，采用6.25 mm × 6.25 mm × 1.8 mm超薄LGA封裝。其超薄高度接近1206外殼尺寸的焊接電容高度，允許安裝在電路板的頂部。超薄外形使它能夠滿足苛刻的高度限制，例如PCIe和嵌入式計(jì)算系統(tǒng)中的先進(jìn)夾層卡所要求的高度限制，如圖1所示。

圖1.LTM4622A可安裝在PCB的底部。

此外，我們最近還推出了LTM4622A。作為LTM4622的變體，此A版本具有1.5 V至12 V的較高輸出電壓，代替0.6 V至5.5 V的非A版本。這樣，如果終端系統(tǒng)需要，系統(tǒng)設(shè)計(jì)人員可以在較高端具有更寬的輸出電壓范圍。在任一情況下，輸入電壓范圍均為3.6 V至20 V。通過Power by Linear的μModule DC/DC穩(wěn)壓器，也可輕松提供高功率和DPSM功能。由于許多μModule穩(wěn)壓器可以在高負(fù)載電流下并聯(lián)并提供精確電流匹配（在各自1%的標(biāo)稱范圍內(nèi)），它們可以減少出現(xiàn)熱點(diǎn)的可能性。此外，只有一個(gè)μModule穩(wěn)壓器需要包含DPSM功能，因?yàn)榧词蛊溆嗖⒙?lián)μModule器件沒有內(nèi)置DPSM功能，它也可提供完整數(shù)字接口。

圖2.將一個(gè)LTM4677 DPSM μModule器件和三個(gè)LTM4650 μModule穩(wěn)壓器相結(jié)合可在1 V下從額定

12 V輸入提供186 A。

借助DPSM器件，系統(tǒng)設(shè)計(jì)人員可以執(zhí)行許多不同的任務(wù)，包括：

·通過數(shù)字通信總線配置電壓，定義復(fù)雜的開/關(guān)時(shí)序布置，定義故障條件（如過壓和欠壓限值），設(shè)置重要的電源參數(shù)（如開關(guān)頻率、電流限值等）。

·在同一通信總線上，可以回讀重要的工作參數(shù)，如輸入電壓和輸出電壓、輸入和輸出電流、輸入和輸出功率、內(nèi)部和外部溫度，以及在某些產(chǎn)品中測量所消耗的能源?！€(gè)人可以實(shí)現(xiàn)對設(shè)計(jì)的精確閉環(huán)裕量測試，并將電源電壓調(diào)整到非常精確的水平。

·這些器件設(shè)計(jì)為自主式器件。一旦將它們配置好并應(yīng)用輸入功率，它們就會(huì)對電源進(jìn)行定序，在負(fù)載點(diǎn)調(diào)節(jié)非常精確的電壓，在實(shí)施用戶可配置的故障管理方案的同時(shí)持續(xù)監(jiān)控電壓和電流，并裝備非易失性故障記錄器，在檢測到故障時(shí)存儲(chǔ)有關(guān)電源系統(tǒng)的信息。

·DPSM器件可以級聯(lián)，以構(gòu)建相干的大型電源系統(tǒng)。這是通過以有線速度運(yùn)行的芯片間協(xié)調(diào)總線來實(shí)現(xiàn)的。

·它們包括用于器件配置和故障記錄功能的內(nèi)部NVM?！み@些器件包含I2C/PMBus通信端口，并使用行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)PMBus命令集控制并管理電源系統(tǒng)?！み@些PSM器件都受到通用LTpowerPlay? GUI的支持。LTpowerPlay是工程級GUI，在開發(fā)時(shí)考慮了電源系統(tǒng)的設(shè)計(jì)和調(diào)試，以及遠(yuǎn)程客戶支持。

圖2相應(yīng)地顯示了180 A加DPSM PoL解決方案的一個(gè)LTM4677（36 A DPSM μModule穩(wěn)壓器）和三個(gè)LTM4650（50 A μModule穩(wěn)壓器）并聯(lián)的應(yīng)用原理圖。

結(jié)論

若在當(dāng)今通信設(shè)備中采用DPSM功能和超薄外形功率轉(zhuǎn)換器件，電源設(shè)計(jì)人員便可通過簡單而強(qiáng)大的方式將高功率輸出傳送到低至0.5 V的核心電壓，且溫度范圍內(nèi)的最大直流輸出誤差為±0.5%，可滿足最新亞20 nm ASIC、GPU和FPGA等IC的需求。如果存在外形尺寸約束，則可以利用超薄外形的μModule穩(wěn)壓器（例如LTM4622A），其安裝在電路板上后外形尺寸小于2 mm，讓原本閑置的底部電路板空間派上用場。這不僅節(jié)省了寶貴的PCB面積，而且還因整體運(yùn)行效率的提高減少了所需的冷卻量。

最后，在通信設(shè)備中使用μModule穩(wěn)壓器是很有意義的，因?yàn)樗茱@著縮短調(diào)試時(shí)間并提高電路板面積利用率。由此將能降低基礎(chǔ)設(shè)施成本，以及系統(tǒng)生命周期的總擁有成本。這對于設(shè)計(jì)和制造這種設(shè)備的公司以及在數(shù)據(jù)中心安裝并使用這種設(shè)備的公司來說都是雙贏的。

作者簡介

Tony Armstrong是ADI公司Power by Linear產(chǎn)品部門的產(chǎn)品營銷總監(jiān)。他負(fù)責(zé)電源轉(zhuǎn)換和管理產(chǎn)品從上市到停產(chǎn)的所有事務(wù)。加入ADI之前，Tony在Linear Technology（現(xiàn)為ADI公司一部分）、Siliconix Inc.、Semtech Corp.、Fairchild Semiconductors和Intel擔(dān)任過營銷、銷售和運(yùn)營方面的不同職位。他畢業(yè)于英格蘭曼徹斯特大學(xué)，獲得應(yīng)用數(shù)學(xué)（榮譽(yù)）學(xué)士學(xué)位。