大電流軌需要具備控制和監(jiān)察功能的轉換器

大型計算系統(tǒng)的復雜性日益增加，這迫使電源產品提高效率和準確度并改進瞬態(tài)響應。不過，近一段時間，電源產品也越來越需要具備數字控制能力，以實現監(jiān)視、設置和報告功能。在分布式系統(tǒng)中，高效率是必不可少的，在這類系統(tǒng)中，會對中間電壓總線采用高降壓比，以產生提供大電流的本機低壓電源，進而最大限度地減輕轉換效率不佳導致的過熱問題。主機系統(tǒng)可能有很多提供寬范圍功率值的本機電壓軌。例如，在數據通信系統(tǒng)中，可能有多達 50 個負載點電壓軌，其中有些可能提供高達以及超過 100 安培的電流。因此，系統(tǒng)設計師希望能夠非常方便地監(jiān)視和調整電源電壓、對電源電壓排序、設定工作電壓限制，并方便地讀取電壓、電流、溫度等參數以及訪問詳細的故障日志。

一種流行以控制大軌數系統(tǒng)的方式是使用數字通信總線。這種方式常稱為“數字電源”或“電源系統(tǒng)管理 (PSM)”，能夠幫助設計師實時控制、監(jiān)視和監(jiān)察很多電源軌。能夠以數字方式更改電源參數意味著，設計師不再像以前那樣，需要更改實際硬件、電路和 / 或系統(tǒng)用料單，這極大地縮短了產品開發(fā)時間和減少宕機時間。

新出現的 PSM 產品往往通過 PMBus 等兩線接口支持可配置性和監(jiān)視功能，PMBus是一種基于開放 I2C 標準的數字接口協議。這就為 PSM 產品與現有嵌入式系統(tǒng)及架構、安裝在電路板上的控制器以及智能平臺管理接口功能無縫集成提供了方便。為了簡便易用，尤其是在硬件開發(fā)及測試的初期，常常通過一個在 PC 上運行的圖形用戶界面 (GUI) 和常稱為接口轉換板的 USB 至 PMBus 通信轉換工具連接 PSM 產品。

PSM 可用來監(jiān)視遠端電壓穩(wěn)壓器的性能，報告其健康情況，以便能夠在其超出性能規(guī)格甚至發(fā)生故障之前采取糾正措施。PSM 還允許用戶根據從負載及系統(tǒng)收集的信息采取行動，并具備以下優(yōu)勢。

產品更快上市：

·無需修改 PCB，就可更改電源參數

·快速確定系統(tǒng)特性、進行優(yōu)化和數據挖掘

負載級優(yōu)勢：

·隨時間和溫度變化控制電源準確度

·進行裕度調節(jié)，以測試 FPGA 容限

系統(tǒng)級優(yōu)勢：

·以數字方式進行電路板級電源診斷

·監(jiān)視并準確確定整個系統(tǒng)的功耗

·故障管理 / 故障日志

數據中心優(yōu)勢：

·確定功耗趨勢，隨時間變化檢測波動和變化

·開發(fā)預測性分析方法，最大限度降低運行成本

·做出能量管理決策

為滿足大型多軌系統(tǒng)的需求，人們開發(fā)了 PMBus 命令語言。除了一套定義完備的標準命令，PMBus 兼容產品還可以采用自己專有的命令，以提供創(chuàng)新性增值功能。對生產這類系統(tǒng)板的 OEM 而言，大部分命令和數據格式實現標準化是一個極大的優(yōu)勢。該協議是通過業(yè)界標準 SMBusTM 串行接口實現的，能夠對電源轉換產品進行編程、控制和實時監(jiān)視。命令語言和數據格式標準化使 OEM 能夠非常容易地實現固件開發(fā)和重用，這可幫助電源系統(tǒng)設計師縮短產品上市時間。如需更多有關這一主題的信息，請訪問：http://pmbus.org。

PSM 能夠提供準確的電源系統(tǒng)信息，還能夠自主控制和監(jiān)督很多電壓，因此正在得到越來越廣泛的采用。凌力爾特已提供幾種 PSM 產品以滿足這種市場需求，我們還將繼續(xù)定期推出有關的新器件。

最新 PSM DC/DC 控制器

LTC3882 是最近推出的雙通道 DC/DC 同步降壓型 PWM 控制器，具備 PMBus 兼容串行接口。該器件在 3V 至 38V 的輸入電源總線電壓范圍內工作，每個通道可產生 0.5V 至 5.25V 的獨立輸出電壓。多達 4 個 LTC3882 能夠以并聯交錯方式運行，從而產生包含多達 8 個相位的單輸出軌，每相電流高達 40A。當因功率或可靠性而要較多相位時，還可以開發(fā)相位數為 6 或 8 的倍數之設計。一旦電路板內置 EEPROM 編程完畢，LTC3882 就可以自主運行，甚至在故障情況下，也無需主機支持。圖 1 顯示了 LTC3882-1 的一個典型的應用原理圖。

圖 1：LTC3882 典型應用原理圖

內部架構

為了支持高降壓比和快速負載瞬態(tài)響應，LTC3882 采用了尖端的恒定頻率電壓調制模式架構。該架構還整合了失調非常低、帶寬很大的電壓誤差放大器和內部前饋補償。內部前饋補償針對輸入電壓變化即時調節(jié)占空比，從而在發(fā)生瞬態(tài)事件時顯著地降低了輸出過沖或下沖。兩個通道都具備遠端輸出電壓檢測功能，以補償與長 PCB 走線有關的壓降。當輸出并聯時，單獨的控制環(huán)路實現卓越的 DC 和動態(tài)多相負載均分。圖 2 顯示了圖 1 原理圖在 15A 階躍負載時的瞬態(tài)響應。與標稱輸出電壓的最大偏差低于 25mV。

圖 2：圖 1 電路的瞬態(tài)響應

選擇功率級

LTC3882 的每個通道都提供可選 PWM 控制協議，以連接具備 3.3V 兼容控制輸入的功率級設計。用戶可以選擇最佳類型的功率級以滿足設計要求：分立式 FET 驅動器、DrMOS 器件或 電源模塊。這些類型的功率級能夠以每通道為基礎進行混合和匹配，從而允許按照每個軌的功率需求優(yōu)化電源子系統(tǒng)劃分、大小和成本。

尖端的調制模式可提供對輸出負載階躍的快速、單周期響應，而且對最小占空比沒有限制。在采用這種方法實現高降壓比的情況下，PWM 輸出控制脈沖可以變得非常小，而且最短接通時間通常受到功率級而不是控制器的限制。就最緊湊的解決方案而言，可以僅用陶瓷輸出電容器，而且 LTC3882 采用了可編程有源電壓定位 (AVP) 技術，因此可以進一步優(yōu)化等效串聯電阻 (ESR) 并減小輸出電容器尺寸。[!--empirenews.page--]

視應用的需求，可以通過選擇最佳工作頻率來優(yōu)先考慮峰值效率或解決方案尺寸。LTC3882 的可編程開關頻率范圍為 250kHz 至 1.25MHz，支持對電感器尺寸和輸出電流紋波的優(yōu)化。LTC3882 還可用來產生共享的 PWM 主時鐘，或接受一個外部時鐘輸入，以同步至不同的系統(tǒng)時基。

針對高功率的低 DCR 檢測

在輸出電流相對較高時，轉換效率必須最大限度地提高，以限制傳導損耗產生的熱量，并最大限度地降低相關的冷卻成本。最大限度降低電流檢測組件中的功率損耗以盡可能提高效率是很重要，因為該組件不斷地看到全 DC 負載電流加上附加紋波電流。LTC3882 支持常規(guī)檢測電阻器拓撲以及低 DCR 檢測方法，而低 DCR 檢測可以產生僅為幾十毫伏的電壓。固定斜率電壓模式 PWM 架構允許用大信號控制占空比，消除了采用電流模式控制方法時低 DCR 設計可能產生的噪聲問題。圖 3 所示為圖 1 原理圖的效率和功率損耗。

圖 3：12V 輸入至 1V 輸出時的效率和功率損耗曲線

LTC3882 提供了一個可選的數字輸出伺服功能。當該功能啟動時，通道電壓的 16 位 ADC 輸出用來伺服所希望的平均輸出值。在這種情況下，轉換器提供了十分出色和僅為 ±0.2% 的典型輸出誤差，隨溫度變化的最大誤差為 ±0.5%。就多相單輸出工作而言，LTC3882 提供單獨的均流環(huán)路，該環(huán)路提供準確的負載平衡，這與常規(guī)電壓模式轉換器相比是一個改進。輸出通道通過引腳搭接設計成主控制通道或從屬通道。主通道上的 IAVG 引腳提供與瞬時輸出電流變化類似的電壓。給這個線路加上一個 100pf 至 200pf 的濾波電容器，然后發(fā)送給所有從屬相位通道。從屬通道運用這一信息和來自主通道的主 COMP 控制電壓，使自身的輸出電流與主通道的輸出電流相匹配。圖 4 顯示，在高速負載階躍時，這種匹配得到了動態(tài)保持。

圖 4：輸出瞬態(tài)時的動態(tài)負載平衡

準確的遙測

LTC3882 用一個內部 16 位 ADC 監(jiān)視關鍵電源參數。對輸入和輸出電壓、輸出電流、占空比以及溫度，都可以通過 PMBus 進行數字回讀。LTC3882 跟蹤、保持并提供這些參數的峰值。

除基本電源參數遙測以外，LTC3882 還通過 PMBus 向系統(tǒng)主機報告多種內部及外部狀態(tài)信息。

快速可編程故障響應

運用 LTC3882 以及其他凌力爾特 PSM 系列器件 (例如：LTC3880) 之間的共享故障總線，可以檢測故障并提供故障信息。LTC3882 提供一個標準的開漏 ALERT 輸出，以向總線主機發(fā)出多種故障情況通知。LTC3882 對關鍵故障產生高速、低電平硬件響應以保護功率級及下游系統(tǒng)負載。然后，可以用 PMBus 命令配置較高電平的響應、屏蔽系統(tǒng)故障并決定將哪些故障信息傳送給共享故障總線。這可靈活地在系統(tǒng)級動態(tài)管理故障，甚至在硬件已經設計制造完畢后也可提供靈活性。

LTC3882 提供廣泛的日志能力，可記錄故障發(fā)生前一瞬間轉換器的運行狀態(tài)。日志可以啟動并將內容存儲到內部 EEPROM 中，以提供黑匣子記錄器功能，實現系統(tǒng)內診斷或后續(xù)異常事件的遠端調試。

PSM 的優(yōu)勢

考慮使用 PSM 控制器有很多理由?？梢韵?LTC3882 發(fā)布 PMBus 命令，以設定輸出電壓、電壓裕度、開關頻率、輸出接通 / 關斷排序以及其他工作參數?？傊琇TC3882 支持超過 100 條標準及定制的 PMBus 命令。這種可編程性的主要好處是降低設計成本、加速產品上市。一旦完成基本硬件的宏觀設計，通過簡單地調節(jié) LTC3882 控制器內能以數字方式編程的參數，就可按照需要快速產生很多變化、讓系統(tǒng)快速進入正常運行狀態(tài)并對設計加以驗證。調節(jié)可以按照需要，一直在生產進行后調節(jié)，包括完全同步的電源軌重新排序 / 再定時。有了這種靈活性，再加上可選的關鍵電源參數外部電阻器設定方法，就可以避免高風險、高成本的 PCB 推敲工作，或者避免由于最后一分鐘的需求變化或系統(tǒng)用途變化而需要手工更改連線。

最終配置可以輕而易舉地通過各種方式存儲在內部 EEPROM 中，包括定制的生產設定方式。一旦配置存儲完畢，控制器就可以自主加電到該狀態(tài)，而不會給主機增加額外的設定負擔。另外，即使在裝載最終 EEPROM 配置之后，仍然可以使用可選外部設定電阻器來修改幾個關鍵工作參數，例如輸出電壓、頻率和相位分配。

一旦設計完成，LTC3882 支持的多種尋址方法就會視控制和監(jiān)視要求的不同而不同，允許系統(tǒng)在軌、器件或單個通道級與所有器件或選定器件通信。另外，PMBus 為實現尖端的高級系統(tǒng)運行提供了方便，例如需要大電流的高能效應用的負載平衡。如果在大型系統(tǒng)中采用常規(guī)電源組件，那么這些功能根本不可能有效地實現，甚至不可能實現。

結論

PSM 是系統(tǒng)設計師利用現有系統(tǒng)主處理器或簡單 PC 連接控制電源的一種方式。在開發(fā)和調試階段，這種控制能力非常寶貴，能夠幫助設計師讓系統(tǒng)快速進入正常運行狀態(tài)，并能夠控制和調節(jié)電源電壓、各種限制值以及排序，而無需修改物理硬件、電路和 / 或系統(tǒng)用料單。就大軌數系統(tǒng)而言，PSM 是一種簡單、實用和強大的方法。