如何设计数字控制的LDO稳压器电路，以实现电压和电流监测

与十年前相比，如今的电源需要更灵活的电源解决方案和更多的数字控制，特别是在服务器云计算领域。利用电阻和电容脱焊以调整电压控制环路的时代早已一去不返。

回溯历史，数字电源控制是从带有PMBus接口的单相负载点（POL）变换器开始的。如今，它已演变为多相控制方案，可提供高达100A的输出电流能力， 非常适合多核CPU、加速器、人工智能（AI）芯片和网络处理器等应用场合。到目前为止，工程师可以通过数字电源控制电路板上的每个开关电源，但却无法实现对线性稳压器（也称为低压差稳压器或LDO）的数字控制。然而，随着数字电源监控IC的出现，工程师现在可以对系统中的每个电源进行完全的数字控制。

本文探讨了高性能计算领域的电源管理趋势，并介绍了如何设计数字控制的LDO稳压器电路，以实现电压和电流监测，并通过PMBus指令进行故障遥测。

服务器电源轨的要求

通常来说，云计算服务器需要多相电源控制，分别为内存（VDIMM）和Vcore提供30A到100A的输出电流能力。低于30A的电源轨则采用单相POL变换器来实现。其余的电源轨为低功率电源轨，通常使用LDO稳压器实现。图1显示了连续几代服务器所需的电源轨数。如图所示，未来的服务器将需要超过25个电源轨。

图1.电源轨数量随着系统的更新换代而增加

高性能计算领域的另一趋势是高性能和高效率之间的平衡。系统必须在必要时提供高性能，并在峰值电流模式运行时提供最高效的解决方案。典型要求就是待机或低功耗模式。数字控制的LDO稳压器可增加余量调节能力，在启用低功耗模式时降低输出电压，甚至可以将电压设置为零。这种余量调节能力的另一个好处是可以将输出电压维持在额定输出电压的±10%。显然，数字控制的LDO稳压器的另一个好处是可以通过PMBus读取系统中的每个电源轨，对中断或故障进行实时监测。

设计数字控制的LDO稳压器

那么，如何实现数字控制的LDO稳压器的设计呢？接下来以ISL28023数字电源监测器为例进行说明。ISL28023数字电源监测器是具有PMBus接口的双向电流检测放大器，将数字遥测功能融入模拟系统。工程师可灵活地监测、保护和控制系统中的每个LDO。

以下详细地介绍数字电源监测器。如图2所示，工程师可使用的多项功能包括：

VBUS/VINP/VINM–——用于监测LDO电压和电流的主要通道引脚；（注意：电流测量需要外部检流电阻。）

DAC_OUT——内置的8位DAC，用于调节LDO输出电压；

SMBALERT2——数字电源监测器检测到故障状态时触发警报的引脚。用于启用/禁用LDO；

GND——接地引脚。为了确保电压和电流测量的正常工作，数字电源监测器和LDO的接地引脚必须连接在一起。

图2.数字电源监测器框图

通过将VBUS引脚连接到LDO稳压器的输出电压正端，同时将GND引脚连接在一起，工程师可以使用数字电源监测器实现简单的电压测量。但是为了测量LDO的输出电流，还需要一个外部检流电阻。

图3.数字电源监测器测量ISL80101 LDO输出电压和输出电流的典型电路

图3给出了用数字电源监测器测量LDO输出电压和输出电流的典型电路。VBUS引脚测量LDO VOUT的电压。差分引脚VP和VM测量Rshunt两端的电压。Rshunt的取值需要根据ISL28023中Vshunt的设置和LDO的输出电流来决定：

公式1 Iout = Vshunt/Rshunt

ISL28023电流监测器的Vshunt允许设置在40mV/80mV范围内。在实际电流测量时要保证最大限度地利用该范围。例如，当ISL80101LDO 输出电流为1A，ISL28023的Vshunt使用80mV范围时，Rshunt必须确保Vshunt测量值在1A时约为80mV即Rshunt等于80mOhm。

LDO的电压余量可以通过数字电源监测器的8位DAC输出来实现。通过将DAC_OUT引脚连接到LDO的反馈网络（ADJ引脚），可以上调/下调输出电压。

图4.数字电源监测器控制LDO输出电压余量的典型电路

事实上，FB或ADJ引脚电压可以通过DAC的输出电压手动更改。根据公式2，LDO稳压器的输出电压可以通过DAC的输出电压，R1和R2进行设置。

公式2 Vout = 0.5 + （0.5 – DAC_OUT） * R2/R1

需要注意的是，在设置ISL28023的DAC_OUT值时，，DAC_OUT电压不得超过0.5V，否则可能导致LDO的错误动作。

故障触发的启用/禁用

数字电源监测器有两个SMBALERT引脚，可在满足故障条件时触发高/低阈值，也可以强制启用/禁用LDO。图5给出了用SMBALERT2引脚启用/禁用LDO的典型电路。

图5.数字电源监测器的SMBALERT2引脚启用/禁用LDO的典型电路

图3、4和5共同组成了通过ISL28023数字电源监测器和三个外部电阻为简单的LDO添加遥测功能的完整电路，如图6所示。

图6.利用数字电源监测器实现对ISL80101 LDO遥测的完整电路

总 结

过去，系统中只有高功率电源轨才能实现数字控制，低功率LDO则没有数字接口。如今，ISL28023数字电源监测器实现了低功率电源轨的遥测。从而使系统中的每个电源轨都可以通过PMBus指令进行数字监测、保护和控制。