由于系統(tǒng)復(fù)雜性提高、數(shù)字組件激增,所以其內(nèi)部電壓軌的數(shù)量也在持續(xù)增加,在這種情況下,必須有一種機(jī)制來監(jiān)視和控制這些電壓軌。常見的情況可能是,有多達(dá) 50 個負(fù)載點(diǎn)電壓軌,而且系統(tǒng)設(shè)計(jì)師必須能夠非常容易地監(jiān)視和調(diào)節(jié)電源電壓、實(shí)現(xiàn)電源加電 / 斷電排序、設(shè)定工作電壓限制以及讀取電壓、電流和溫度等參數(shù),并訪問詳細(xì)的故障記錄。
一種控制高軌數(shù)系統(tǒng)的流行方法是通過數(shù)字通信總線。這種方法常常稱為“數(shù)字電源”或“數(shù)字電源系統(tǒng)管理 (DPSM)”,能夠使設(shè)計(jì)師控制、監(jiān)視和監(jiān)察幾十個電壓軌。既然能夠以數(shù)字方式改變電源參數(shù),那么就不必像以前那樣,需要更改物理硬件、電路和 / 或系統(tǒng)用料了,因此可縮短產(chǎn)品上市及宕機(jī)時(shí)間。
新出現(xiàn)的 DPSM 產(chǎn)品往往支持通過 PMBus 等兩線接口進(jìn)行配置和監(jiān)視,這是一種基于開放標(biāo)準(zhǔn) I2C 的數(shù)字接口協(xié)議。這就為 DPSM 產(chǎn)品與現(xiàn)有嵌入式系統(tǒng)和架構(gòu)、電路板安裝控制器 (Board Mount Controllers) 以及智能平臺管理接口 (Intelligent Platform Management Interfact) 功能無縫集成提供了益處。為了實(shí)現(xiàn)簡單性和易用性,尤其是在硬件開發(fā)及測試初期,常常通過在 PC 上運(yùn)行的圖形用戶界面 (GUI) 以及 USB 至 PMBus 通信轉(zhuǎn)換器工具 (常稱為接口轉(zhuǎn)換板) 連接 DPSM 系統(tǒng)。
在如今的新式電子系統(tǒng)中,最后剩下的“盲點(diǎn)”之一是電源的情況,因?yàn)槿藗兺ǔ]有辦法直接配置或遠(yuǎn)程監(jiān)視關(guān)鍵工作參數(shù)。若要實(shí)現(xiàn)可靠運(yùn)行,關(guān)鍵是要能夠檢測穩(wěn)壓器輸出電壓隨時(shí)間的漂移或過熱情況,并在潛在故障事件發(fā)生之前采取行動。憑借 DPSM,系統(tǒng)可以監(jiān)視電壓穩(wěn)壓器的性能,并報(bào)告其健康情況,以便在穩(wěn)壓器超出性能規(guī)格甚至發(fā)生故障之前能夠采取糾正措施。DPSM 使用戶能夠根據(jù)從負(fù)載和系統(tǒng)收集的信息采取行動,并具備以下優(yōu)勢:
產(chǎn)品更快上市
- 無需更改 PCB,就可改變電源參數(shù)
- 快速進(jìn)行系統(tǒng)描述、優(yōu)化和數(shù)據(jù)挖掘
負(fù)載級優(yōu)勢
- 隨時(shí)間和溫度變化控制電源準(zhǔn)確度
- 通過裕度調(diào)節(jié)測試 FPGA 容限
- 通過減載提高系統(tǒng)效率
系統(tǒng)級優(yōu)勢
- 以數(shù)字方式訪問電路板級電源診斷數(shù)據(jù)
- 監(jiān)視和精確指出系統(tǒng)內(nèi)各處的功耗
- 故障管理 / 故障記錄
數(shù)據(jù)中心優(yōu)勢
- 發(fā)現(xiàn)功耗趨勢、檢測隨時(shí)間的波動和變化
- 進(jìn)行預(yù)測性分析以最大限度降低運(yùn)行成本
- 做出能源管理決策
PMBus 命令語言是為滿足大型多軌系統(tǒng)的需求而開發(fā)的。除了一套嚴(yán)密定義的標(biāo)準(zhǔn)命令,符合 PMBus 要求的系統(tǒng)還能夠采用它們自己的專有命令,以提供創(chuàng)新的增值功能。大部分命令及數(shù)據(jù)格式實(shí)現(xiàn)了標(biāo)準(zhǔn)化,這對生產(chǎn)這類系統(tǒng)電路板的 OEM 而言是一大優(yōu)勢。該協(xié)議通過業(yè)界標(biāo)準(zhǔn) SMBusTM 串行接口實(shí)現(xiàn),能夠編程、控制和實(shí)時(shí)監(jiān)視電源轉(zhuǎn)換產(chǎn)品。命令語言和數(shù)據(jù)格式標(biāo)準(zhǔn)化使 OEM 能夠非常容易地開發(fā)和重用固件,結(jié)果電源系統(tǒng)設(shè)計(jì)師可以讓產(chǎn)品更快上市。如需了解更多信息,請?jiān)L問:http://pmbus.org。憑借超過 75 種 PMBus 標(biāo)準(zhǔn)命令功能,用戶可以利用這一最流行的開放標(biāo)準(zhǔn)電源管理協(xié)議之一,全面控制其電源系統(tǒng)的運(yùn)行。
尤其是在數(shù)據(jù)中心中,關(guān)鍵挑戰(zhàn)是降低總體功耗。通過重新安排未得到充分利用的服務(wù)器之使用,并根據(jù)所消耗的功率關(guān)閉其他一些服務(wù)器,就有可能解決這一難題。為了滿足這些需求,必須清楚設(shè)備的功耗。DPSM 可以為用戶提供功耗數(shù)據(jù),從而允許實(shí)時(shí)做出明智的能源管理決策。DPSM 正在迅速得到采用,因?yàn)檫@種系統(tǒng)能夠提供有關(guān)電源系統(tǒng)的準(zhǔn)確信息,而且能夠自主控制和監(jiān)察很多電壓。凌力爾特公司有幾款具備這些功能的數(shù)字電源產(chǎn)品,而最近發(fā)布的 LTC3882 就是其中之一。
DPSM DC/DC 控制器
LTC3882 是一款雙輸出多相同步降壓型 DC/DC 控制器,具備串行數(shù)字接口。該器件采用先進(jìn)的調(diào)制電壓模式進(jìn)行控制,實(shí)現(xiàn)了卓越的瞬態(tài)響應(yīng),并能夠使用 DCR 非常低 (0.25 mΩ) 的電感器工作,從而允許實(shí)現(xiàn)更高的效率和每輸出高達(dá) 40A 的電流。兼容傳動系統(tǒng)包括 DrMOS、電源構(gòu)件或分立式 FET 驅(qū)動器以及 N 溝道 MOSFET。其數(shù)字接口使系統(tǒng)設(shè)計(jì)師和遠(yuǎn)程操作員能夠控制和監(jiān)測系統(tǒng)電源情況及功耗。既然能夠以數(shù)字方式改變電源參數(shù),那么就不必像以前那樣需要更改物理硬件、電路和 / 或系統(tǒng)用料了,從而可加快產(chǎn)品上市及縮短宕機(jī)時(shí)間。
LTC3882 的兩線串行接口允許對輸出進(jìn)行裕度調(diào)節(jié)和微調(diào),并依據(jù)基于時(shí)間或基于電壓的排序延遲時(shí)間,使輸出以可編程轉(zhuǎn)換率斜坡上升和下降。輸入和輸出電流及電壓、輸出功率、溫度、運(yùn)行時(shí)間以及峰值都是可讀取的。該器件由快速雙模擬控制環(huán)路、精確的混合信號電路以及 EEPROM 組成,采用 6mm x 6mm QFN-40 封裝。
為了評估 LTC3882 的性能,凌力爾特提供了 LTpowerPlay™ GUI (可免費(fèi)下載)、USB 至 PMBus 轉(zhuǎn)換器以及演示電路板。憑借隨溫度變化僅為 ±0.5% 的最大 DC 輸出誤差、±1% 的電流回讀準(zhǔn)確度、集成的 16 位增量累加 ADC 和 EEPROM,LTC3882 整合了出色的模擬開關(guān)穩(wěn)壓器性能和精確的混合信號數(shù)據(jù)采集。該器件在 3V 至 38V 的輸入電源電壓范圍內(nèi)工作,提供 0.5V 至 5.25V 的輸出電壓。兩個通道可以準(zhǔn)確均流,以提供高達(dá) 80A 的電流。多達(dá) 4 個 LTC3882 可以并聯(lián)運(yùn)行,以實(shí)現(xiàn) 2、3、4、6 或 8 相工作。啟動時(shí),輸出電壓、開關(guān)頻率和通道相位角的分配可由引腳搭接電阻器設(shè)定或從內(nèi)部 EEPROM 加載。以下是 LTC3882 的簡化原理圖,采用 DrMOS 作為傳動系統(tǒng),從 12V 標(biāo)稱輸入提供 1V/80A 輸出。
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圖 1:兩相單輸出 LTC3882 應(yīng)用原理圖
輸出電壓裕度
人們常常需要調(diào)節(jié)幾個電壓軌的裕度,使其達(dá)到特定電壓,并需要檢查裕度調(diào)節(jié)之后每個軌的電壓值。采用 DPSM 可以簡化并加速這個過程。圖 2 顯示,配置為兩個輸出的 LTC3882 輸出電壓是怎樣響應(yīng)一個 7.5% 低裕度 PMBus 命令。標(biāo)稱 1V 的輸出變?yōu)?0.92V,標(biāo)稱 1.8V 的輸出變成 1.66V。通過 LTpowerPlay 可以將這一功能擴(kuò)展至 72 個電壓軌,從而可非常容易地進(jìn)行裕度調(diào)節(jié),并驗(yàn)證所設(shè)定的電壓值。
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圖 2:輸出電壓回讀,采用 LTC3882 的 DPSM,對 VOUT 進(jìn)行低 7.5% 的裕度調(diào)節(jié)
用于真實(shí)應(yīng)用的數(shù)字電源系統(tǒng)管理
一個系統(tǒng)電路板有超過 30 個電源軌的情況是很常見。這類型的電路板通常組件排列密集,DPSM 電路不能占用太大空間。此外,DPSM 電路必須易于使用,必須控制大量的電壓軌。而且這種解決方案必須自主工作,或者與系統(tǒng)主處理器通信,以獲取命令、實(shí)現(xiàn)控制并報(bào)告遙測信息。
凌力爾特的 LTM4676、LTC2977、LTC2974、LTC3882 和 LTC3883 可以組合起來,在一節(jié) I2C 總線上控制多達(dá) 72 個電壓。LTM4676 和 LTC3882產(chǎn)生并管理兩個大電流軌。LTC3883 產(chǎn)生并管理一個大電流輸出。LTC2977 管理多達(dá) 8 個電源軌,而 LTC2974 則管理 4 個電源軌。
圖 3 顯示,怎樣用各種不同的凌力爾特µModule (微型模塊) 穩(wěn)壓器、管理器和 DC/DC 控制器控制一個多電壓軌系統(tǒng)。這些電壓軌通常對于排序、電壓準(zhǔn)確度、過流和過壓限制、裕度調(diào)節(jié)以及監(jiān)察都有嚴(yán)格要求。
![3](http://upload.semidata.info/sns.eefocus.com/linear/article/media/2014/10/08/322850.jpg)
圖 3:通過 I2C/PMBus 控制 19 個電壓軌的方框圖
結(jié)論
DPSM 為系統(tǒng)設(shè)計(jì)師提供了一種機(jī)制,以用簡單的 PC 連接或現(xiàn)有系統(tǒng)主處理器來控制電源。在開發(fā)和調(diào)試階段,這種功能非常有用,能夠使設(shè)計(jì)師快速搭建并運(yùn)行系統(tǒng),而且無需更改物理硬件、電路和 / 或系統(tǒng)用料,就能夠控制和調(diào)節(jié)電源電壓、限制值以及排序。
裕度測試也更加容易進(jìn)行了,因?yàn)檎麄測試都可以用幾條命令并通過 I2C/PMBus 加以控制。DPSM 可以為用戶提供功耗數(shù)據(jù),從而允許做出明智的能源管理決策,這有助于降低總體功耗。有關(guān)電源健康狀況的電源系統(tǒng)數(shù)據(jù)可以發(fā)回給 OEM,從而有效地掀開了獲取 DC/DC 轉(zhuǎn)換器健康狀況數(shù)據(jù)時(shí)遇到的“盲點(diǎn)”。穩(wěn)壓器輸出電壓隨時(shí)間的漂移也可以檢測,并能夠在潛在故障事件發(fā)生之前采取行動。如果一塊電路板被返回,就可以回讀故障記錄,以確定發(fā)生了什么故障、發(fā)生故障時(shí)的電路板溫度以及發(fā)生故障的時(shí)間。這些數(shù)據(jù)可用來快速確定根本原因,或者系統(tǒng)工作時(shí)是否超出了所規(guī)定的限度,還可用來改善未來的產(chǎn)品設(shè)計(jì)。對于高軌數(shù)系統(tǒng)和想要控制其電源系統(tǒng)的 OEM 而言,數(shù)字電源系統(tǒng)管理是一種強(qiáng)大的工具。 |