可以监视工作状态信息的数字电源系统管理

背景

尽管就新式电子系统的可靠工作而言，电源管理至关重要，但今天的系统中也许仍然存在最后一个“盲点”，那就是稳压器，因为对稳压器来说，没有方法直接配置或监视其关键电源系统的工作参数。因此，电源设计师一直被迫使用一堆混杂在一起的排序器、微控制器和电压监察器，以设定启动、安全等基本的稳压器功能。虽然数字可编程 DC/DC 转换器投入使用已有多年 （最为显著的就是在采用 VID 输出电压控制的 VRM 内核电源），但是，它们一直缺乏直接从稳压器来监视工作状态信息 （特别是实时电流） 的能力。

数字电源系统管理能通过计算机接口设定和监视各种不同的电源参数，正在消除这个“盲点”。可编程参数包括输出电压、排序、跟踪、多个轨的延迟和斜坡、过流限制和过压限制设定点以及工作频率。数字电源系统管理还能回读遥测数据并报告输入电压、输出电压/电流、温度甚至故障等。

网络设备的系统设计师正被迫提高系统的数据吞吐量和性能，也在被迫增加功能。同时，他们也面临着降低系统总体功耗的压力。数据中心的挑战是，重新安排工作流程，将作业转移到未充分利用的服务器上，从而允许其他服务器关机，以此降低总体功耗。为了满足这些需求，知道最终用户设备的功耗是至关重要的。一个设计得当的数字电源管理系统能为用户提供功耗数据，从而允许智能地做出能源管理决策。

多轨电路板级电源系统

大多数嵌入式系统都是通过 48V 背板供电的。这个电压通常降压至较低的中间总线电压 （如 12V），以给系统内机架的电路板供电。不过，这些电路板上的大多数子电路或 IC 都要求在低于 1V 至 3.3V 的电压范围内、以数十 mA 至数百 A 的电流工作。因此，需要负载点 （POL） DC/DC 转换器，以从中间总线电压降压至子电路或 IC 所需要的电压。这些轨通常对排序、电压准确度、裕度调节和监察有严格要求。

在一个数据通信、电信或存储系统中，有多达 20 个 POL 电压轨的情况并非不常见，因此系统设计师需要一种简单的方法来管理这些轨的输出电压、排序和最大可允许电流要求。很多处理器都要求 I/O 电压先于内核电压上升，而某些 DSP 则要求内核电压先于 I/O 电压上升。断电排序也是必要的。因此，设计师需要非常容易地进行更改，以优化系统性能，并需要为每一个 DC/DC 转换器储存一套特定配置，以简化设计工作。

为了保护昂贵的 ASIC 免受可能出现的过压情况的损害，高速比较器必须监视每个轨的电压值，而且如果某个轨超出了规定的安全工作限制，就立即采取保护行动。在数字电源系统中，可以通过 PMBus 报警线通知主机发生了故障，而且可以关断从属轨，以保护受电器件 （如 ASIC）。要实现这一点，需要合理的准确度和数十 us 的响应时间。

凌力尔特最近推出的 LTC3880/-1 提供高度准确的数字电源系统管理，具高分辨率可编程性和快速遥测数据回读，可实时控制并监视关键的负载点转换器功能。该器件是一款双输出、高效率、同步降压型 DC/DC 控制器，提供基于 I2C 并具超过 100 条指令的 PMBus 接口和内置的 EEPROM。该器件兼有最佳的模拟开关稳压控制器和精准混合信号数据转换，可无与伦比地实现电源系统的易设计性和易管理性，并得到了具易用型图形用户界面 （GUI） 的 LTpowerPlay 软件开发系统的支持。图 1 显示了一个典型的应用原理图。

图 1：典型的 LTC3880 应用原理图

LTC3880/-1 可调节两个独立的输出，或配置为两相单输出。多达 6 相可以交错和并联，以在多个 IC 之间实现准确的均流，从而最大限度地降低了对大电流或多输出应用的输入和输出滤波要求。内置的差分放大器提供真正的远端输出电压采样。集成的栅极驱动器在 4.5V 至 24V 的输入电压范围内为所有 N 沟道功率 MOSFET 供电。该器件可在整个工作温度范围内，以每相高达 30A 的输出电流产生高达 5.5V，而输出电压的准确度为 ±0.50%。涵盖多个芯片的准确定时和基于事件的排序允许复杂的多轨系统实现加电和断电优化。LTC3880 有一个内置 LDO，为控制器和栅极驱动器供电，而 LTC3880-1 允许使用一个外部偏置电压，以实现最高效率。这两款器件都采用耐热增强型 6mm x 6mm QFN-40 封装。

控制接口用于数字电源系统管理

开发 PMBus 指令语言的目的是满足大型多轨系统的需求，PMBus 是一种开放的标准电源管理协议，采用全面定义的指令语言，为与电源转换器、电源管理器件和系统主处理器通信提供了方便。除了一套定义完备的标准指令，PMBus 兼容设备还可以采用自己的专门指令，以为设定和监视 POL DC/DC 转换器提供创新性方法。该协议通过业界标准 SMBus 串行接口实现，可设定、控制和实时监视电源转换产品。指令语言和数据格式标准化允许非常容易地开发固件，从而加速了产品上市。如需更多信息，请访问：http://pmbus.org。

LTC3880/-1 的可编程控制参数包括输出电压、裕度调节、电流限制、输入和输出监察限制、上电排序和跟踪、开关频率、以及识别和可跟踪性数据。内置的精准数据转换器和 EEPROM 允许收集稳压器配置设定值和遥测变量值，包括输入和输出电压及电流、占空比、温度以及故障记录，并对这些设定值和变量值进行非易失性存储。下表 1 显示了一些可用 LTC3880/-1 设定的参数、该器件的高分辨率遥测回读能力、以及同类可替代解决方案的分辨率和准确度。

表 1：LTC3880/-1 的一些可编程参数以及遥测回读能力和准确度

LTC3880/-1 的配置非常容易通过该器件的 I2C 串行接口保存到内部 EEPROM 中。由于配置存储在芯片中，所以该控制器可以自主上电，而无需增加主处理器的负担。输出电压、开关频率、相位和器件地址的缺省设定值可选择通过外部电阻器分压器配置。多种设计可以非常容易地在固件中校准和配置，以为一系列应用优化单个硬件设计。

模拟控制环路

LTC3880/-1 是一种数字可编程控制器，可实现很多种功能，如控制输出电压、电流限制设定点和排序，等等，该器件还有一个模拟反馈控制环路，以实现最佳环路稳定性和瞬态响应，且不会产生数字控制环路那样的量化效应。

图 2 显示了一个控制器 IC 的不同斜坡曲线，该 IC具模拟反馈控制环路 （LTC3880） 和数字反馈控制环路。模拟环路有一个平滑的斜坡，而数字环路像一个阶跃函数，可能导致以下问题：稳定性、较慢的瞬态响应、在有些应用中需要较大的输出电容以及引起较大输出纹波的数字环路量化效应。

图 2：LTC3880 的模拟控制环路和数字控制环路

此外，与可替代的数字控制环路相比，LTC3880 所需输出电容量可降低多达 50%，并具有更短的稳定时间和更高的稳定性。此外，由于量化效应及 ADC 分辨率的限制，数字控制的瞬态响应在稳定之前有振荡。图 3 显示了模拟控制环路与数字控制环路的瞬态响应比较。

图 3：在采用 25A 负载阶跃、以 400kHz 工作的 12VIN 至 1.2VOUT DC/DC 转换器时，

LTC3880 模拟环路与数字控制环路的瞬态响应比较。

此外，由于 ADC、数字补偿器和数字 PWM 的存在，因此视 ADC 分辨率和环路设计的不同而不同，数字控制环路的量化效应额外增大了输出纹波的电压。对比之下，模拟控制环路没有这种额外增加的输出纹波电压。

结论

数字电源系统管理的主要优点之一是设计成本的降低以及产品面市进程的加快。采用一种具有直观图形用户界面 （GUI） 的综合开发环境，即可以高效地开发复杂的多电压轨系统。另外，此类系统还可利用 GUI （而不是焊接装配） 来进行相关的调整，从而简化了在线测试 （ICT） 和电路板调试工作。

另一个益处是，由于有实时遥测数据可用，因此有可能预测电源系统的故障，并采取预防性措施。也许最重要的是，具数字管理功能的 DC/DC 转换器允许设计师开发“绿色”电源系统，这类系统可重新安排工作流程，将作业转移到未充分利用的服务器上，从而允许其他服务器关机，因此这类系统能决定何时降低总体功耗，以满足目标性能要求。数字电源系统管理可最大限度地降低负载点、电路板、机架甚至安装时的能源消耗，从而降低了基础设施成本和产品整个寿命期的总体成本。