高性能低成本的數(shù)字電源管理介紹

今天的網(wǎng)絡(luò)設(shè)備設(shè)計(jì)師面臨著開(kāi)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?lái)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(lái)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(guò)基于PC的軟件工具，高效率地對(duì)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(cè)試（ICT）以及電路板開(kāi)發(fā)與運(yùn)行狀況檢驗(yàn)工作大為簡(jiǎn)化，這是因?yàn)楣碳兏稍赑C上完成，而無(wú)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(cè)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(dòng)。

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(kāi)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(guò)使用LTC2974四通道數(shù)字電源管理IC來(lái)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(mén)狗定時(shí)器中斷信號(hào)DC/DC CONVERTER：DC/DC轉(zhuǎn)換器* SOME DETIALS OMITTED FOR CLARITY：*為清晰起見(jiàn)，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(duì)任何數(shù)量的電源排序；隨意增加電源LTC2974簡(jiǎn)化了任何數(shù)量電源的排序。通過(guò)使用一種基于時(shí)間的算法，用戶能以任何順序、動(dòng)態(tài)地為電源的接通和斷開(kāi)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(jiàn)圖2）。這種方法極大地簡(jiǎn)化了系統(tǒng)設(shè)計(jì)，因?yàn)橥ǖ滥馨凑杖魏雾樞蚺判颍还苡赡囊粋€(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(wú)縫地級(jí)聯(lián)多個(gè)LTC2974 SEQUENCE SUPPLIES UP IN ANY ORDER：以任何順序?yàn)殡娫醇与娕判騃NDIVIDUAL 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?.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(guò)特定接通電壓時(shí)，LTC2974就可以自動(dòng)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(dòng)。該器件還可提供響應(yīng)故障情況的立即斷開(kāi)或斷開(kāi)排序。排序還可以由簡(jiǎn)單的I2C命令啟動(dòng)。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(lái)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(mén)限和響應(yīng)時(shí)間的過(guò)大和過(guò)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(guò)了它們的過(guò)大或過(guò)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(mén)狗定時(shí)器來(lái)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(mén)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(hào)以后，就為微控制器規(guī)定較長(zhǎng)的超時(shí)時(shí)間間隔。LTC2974可以配置為，如果發(fā)生看門(mén)狗故障，就使微控制器在預(yù)先確定的時(shí)間長(zhǎng)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(lái)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(huì)遇到麻煩。現(xiàn)在，低于±10mV的絕對(duì)準(zhǔn)確度要求是常見(jiàn)的，從而必須在制造過(guò)程中微調(diào)輸出電壓，這是一個(gè)耗費(fèi)大量時(shí)間的過(guò)程。

原始設(shè)備制造商（OEM）必須給測(cè)試留出裕度，以確保面對(duì)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(wèn)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(chǎng)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(jiàn)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(kāi)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(guò)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(guò)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(duì)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(duì)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)腄CR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(lái)調(diào)節(jié)內(nèi)核電壓。準(zhǔn)確實(shí)時(shí)的遙測(cè)極大地簡(jiǎn)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(lái)越低這一趨勢(shì)，準(zhǔn)確測(cè)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(cè)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(shì)，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(cè)量電感器磁芯的溫度很難，會(huì)不可避免地引入電流測(cè)量誤差（參見(jiàn)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(cè)點(diǎn)之間的差別LTC2974憑借正在申請(qǐng)專利的溫度補(bǔ)償算法，使準(zhǔn)確的DCR檢測(cè)成為可能，該算法補(bǔ)償從檢測(cè)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(jiàn)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(cè)量（參見(jiàn)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(duì)一款DC/DC轉(zhuǎn)換器的LTC2974總電流測(cè)量誤差

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(chǎng)用戶）一目了然地確定電源基礎(chǔ)設(shè)施的狀態(tài)（參見(jiàn)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(cè)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(chǔ)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(guò)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(xiě)。



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(chǎng)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(guò)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(kāi)發(fā)過(guò)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(duì)電路板開(kāi)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(wú)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(chǎng)用戶能按照需要存取遙測(cè)、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(jiǎn)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。客戶可用LTpowerPlay設(shè)計(jì)工具設(shè)計(jì)應(yīng)用，并簡(jiǎn)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。