引言

盡管電源管理對新式電子系統(tǒng)的可靠運(yùn)行至關(guān)重要，但是在今天的系統(tǒng)中，也許仍然存在著最后一個(gè)“盲點(diǎn)”，那就是電壓穩(wěn)壓器，現(xiàn)在還沒有辦法直接配置或監(jiān)視關(guān)鍵電源系統(tǒng)工作參數(shù)。數(shù)字可編程 DC/DC 轉(zhuǎn)換器已經(jīng)存在多年了，最顯著的用途是用在具備電壓識別 (VID) 輸出電壓控制功能的電壓穩(wěn)壓器模塊 (VRM) 內(nèi)核電源中。但是直接從電壓穩(wěn)壓器監(jiān)視工作狀態(tài)信息 (尤其是監(jiān)視實(shí)時(shí)電流) 的能力一直缺乏。

數(shù)字電源系統(tǒng)管理的主要好處是降低了設(shè)計(jì)成本以及使產(chǎn)品更快上市。采用具備直觀圖形用戶界面 (GUI) 的全面開發(fā)環(huán)境，可以高效率地開發(fā)復(fù)雜的多軌系統(tǒng)。通過 GUI 而不是焊接“白色導(dǎo)線”定位點(diǎn)，這類系統(tǒng)還簡化了在線測試 (ICT) 和電路板調(diào)試。另一個(gè)好處是，由于有實(shí)時(shí)遙測數(shù)據(jù)可用，所以可以預(yù)測電源系統(tǒng)故障，并采取預(yù)防性措施。也許最重要的是，具備數(shù)字管理功能的 DC/DC 轉(zhuǎn)換器使設(shè)計(jì)師能夠開發(fā)在負(fù)載點(diǎn)、電路板、機(jī)架級甚至安裝階段均能以最低能耗滿足目標(biāo)性能 (計(jì)算速度、數(shù)據(jù)傳送速率等) 的“綠色”電源系統(tǒng)，從而降低了基礎(chǔ)設(shè)施成本和產(chǎn)品壽命期內(nèi)的總體擁有成本。

需要準(zhǔn)確、無損耗的電流測量

DC/DC 轉(zhuǎn)換器設(shè)計(jì)領(lǐng)域的進(jìn)步使得難以極大地提高效率，而且下一代電源系統(tǒng)將通過系統(tǒng)級動態(tài)負(fù)載均衡降低功耗。控制負(fù)載點(diǎn)轉(zhuǎn)換器的算法需要準(zhǔn)確度很高的功耗數(shù)據(jù)，以微調(diào)模型，并優(yōu)化功率分配。這正是與準(zhǔn)確度很高的模擬電路相結(jié)合的實(shí)時(shí)遙測的顯著優(yōu)勢。要以高精確度測量功耗，就需要用一個(gè)已知的電阻性組件測量輸出電流。盡管已校準(zhǔn)的外部并聯(lián)電路是準(zhǔn)確的，但是它會引入額外的功率損耗，并使轉(zhuǎn)換器更加昂貴。一種無損耗選擇是，跨電感器寄生 DC 電阻 (DCR) 測量平均壓降，這可以減少組件數(shù)量，并簡化電路板布局。與 SenseFET 等其他無損耗測量方法相比，DCR 電流測量方法更加經(jīng)濟(jì)實(shí)惠，也更簡單易用。DCR 方法的一個(gè)顯著缺點(diǎn)是，電感器電阻受溫度影響很大以及難以測量準(zhǔn)確的電感器磁芯溫度。如果沒有恰當(dāng)?shù)臏囟妊a(bǔ)償，僅為 1°C 的電感器溫度變化就對應(yīng)約為 0.39% 的電流測量誤差。使情況變得更糟的是，在大負(fù)載電流時(shí)，可能有幾十度的電感器自熱。下面介紹的算法 (正在申請專利) 可以補(bǔ)償所有這些問題，而且校準(zhǔn)后，可在整個(gè)溫度和負(fù)載電流范圍內(nèi)實(shí)現(xiàn)好于 ±0.25% 的準(zhǔn)確度。

DCR 溫度補(bǔ)償

在靠近電感器的地方放置溫度傳感器可提供一階溫度補(bǔ)償。如果溫度傳感器遠(yuǎn)離其他顯著的熱源 (例如功率 FET)，那么溫度補(bǔ)償?shù)臏?zhǔn)確度就可以提高。在大負(fù)載情況下，由于電感器的散熱，在電感器和溫度傳感器之間產(chǎn)生了瞬態(tài)和穩(wěn)態(tài)熱量梯度，所檢測到的溫度并不準(zhǔn)確地代表電感器的磁芯溫度。這種溫度梯度在圖 1 中清晰可見，該圖顯示了向輸出負(fù)載提供 1.8V 電壓、1.5A 電流的集成式 DC/DC 轉(zhuǎn)換器 LTC3601 的熱像。

圖 1：DC/DC 轉(zhuǎn)換器的熱像顯示了電感器實(shí)際溫度與監(jiān)測點(diǎn)溫度之間的差別

用 LTC2974 實(shí)現(xiàn)高精確度數(shù)字遙測

凌力爾特新推出的 LTC2974 是一款 4 通道系統(tǒng)監(jiān)察器，包含一個(gè) 16 位數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)，具備同類最佳的 ±0.25% 總未調(diào)誤差。該器件針對所有 4 個(gè)被監(jiān)視的 DC/DC 通道提供輸出電壓、電流及溫度的數(shù)字回讀，采用業(yè)界標(biāo)準(zhǔn)的 PMBus 接口。電流測量采用上述 DCR 溫度補(bǔ)償算法，與之前的解決方案相比 ，實(shí)現(xiàn)了較高量級的準(zhǔn)確度 (圖 2)。LTC2974 整合了遙測與精確快速的硬件監(jiān)察、微調(diào) DAC 和一套全面的排序及跟蹤選項(xiàng)，提供了很大的系統(tǒng)靈活性。LTC2974 高度可靠的片上 EEPROM 使該器件無需開發(fā)軟件，就實(shí)現(xiàn)了徹底的自主運(yùn)行。LTC2974 包括通過中斷標(biāo)記與“黑盒子”記錄器實(shí)現(xiàn)的故障記錄功能，該記錄器存儲發(fā)生故障之前瞬間轉(zhuǎn)換器的工作狀態(tài)參數(shù)。凌力爾特的 LTpowerPlayTM 開發(fā)軟件及其 GUI 界面為多軌系統(tǒng)的開發(fā)提供了方便。

圖 2：用于 DC/DC 轉(zhuǎn)換器的 LTC2974在整個(gè)溫度及輸出電流范圍內(nèi)的總測量誤差

結(jié)論

準(zhǔn)確測量負(fù)載點(diǎn)實(shí)時(shí)功耗使人們能夠設(shè)計(jì)出以最低能耗滿足設(shè)計(jì)目標(biāo)的智能系統(tǒng)。精確、無損耗的電流測量是優(yōu)化大型系統(tǒng)功耗的關(guān)鍵，且使人們能夠開發(fā)出準(zhǔn)確的模型。能在系統(tǒng)“健康”狀況診斷中使用實(shí)時(shí)功耗遙測是至關(guān)重要的，可用來防止可能的災(zāi)難性電源系統(tǒng)故障。