数字电源系统管理消除了“盲点”

背景

尽管电源管理对于新式电子系统的可靠运作至关紧要，但稳压器或许是当今系统中所剩下的最后一个“盲点”，因为它们不具备对关键电源系统操作参数进行直接配置或监视的方法。于是，电源设计师不得不使用一大堆排序器、微控制器和电压监控器来设置基本的稳压器启动和安全功能。虽然数字式可编程 DC/DC 转换器面市已经多年 (最著名的就是在具有 VID 输出电压控制功能的 VRM 内核电源中)，但它们一直缺乏直接利用稳压器来监视操作状态信息 (特别是实时电流) 的能力。

凭借通过一个计算机接口设置和监视电源各种参数的能力，数字电源系统管理正在逐步打开这一盲点。可编程参数包括输出电压、排序、跟踪、多个电源轨的延迟和斜坡、过流限值以及过压设定点和工作频率。此外，数字电源系统管理还能回读远端采样数据并汇报输入电压、输出电压 / 电流、温度甚至故障情况。

网络设备的系统设计师正面临着提升其系统的数据吞吐量和性能并增加功能及特点的压力。与此同时，如何减少系统的总功耗也是其必需应对的难题。在数据中心里，人们所面对的挑战是需要通过重新编排工作流程并将某些任务转移至那些工作量不足的服务器 (从而可将其他的服务器关断) 来降低总功耗。为了满足这些需求，了解终端用户设备的功耗是非常重要的。正确设计的数字电源管理系统能够为用户提供功耗数据，这样就可以做出灵活的能量管理决策。

多轨板级电源系统

大多数嵌入式系统均通过一块 48V 背板来供电。一般是将该电压降压至一个较低的中间总线电压 (比如：12V)，以为系统内部的电路板支架供电。然而，这些电路板上的大多数子电路或 IC 都需要在 1V 以下至 3.3V 的电压范围以及数十 mA 至数百 A 的电流范围内运作。因此，为了将中间总线电压降压至子电路或 IC 所需的期望电压，负载点 (POL) DC/DC 转换器是必不可少的。这些电源轨通常具有严格的排序、电压准确度、裕度调节和监控要求。

在数据通信、电信或存储系统中存在多达 20 个 POL 电压轨的情况并不少见，系统设计师因而需要一种按照其输出电压、排序和最大可容许电流要求来管理这些电压轨的简单方法。许多处理器要求其 I/O 电压在其内核电压之前上升，而有些 DSP 则要求其内核电压先于其 I/O 电压上升。断电排序也是不可或缺的。因此，设计人员需要一种简便易行的调整方法以优化系统性能并存储用于每个 DC/DC 转换器的特定配置，从而达到简化设计工作的目的。

为了避免昂贵的 ASIC 遭受过压情况的可能性，高速比较器必须监视每个电源轨的电压电平，并在某个电源轨超出其规定的安全操作限值范围时立即采取保护措施。在数字电源系统中，可以在发生故障时通过 PMBus 报警线路通知主机，并可将有关的电源轨关断以对诸如 ASIC 等受电器件实施保护。实现这种保护水平需要比较好的准确度以及大约数十 μs 的响应时间。

凌力尔特公司近期推出的 LTC3880/-1 提供了高度准确的数字电源系统管理，并利用其高分辨率可编程性及快速遥测回读实现了实时控制以及关键负载点转换器功能的监视。该器件是一款双通道输出、高效率同步降压型 DC/DC 控制器，具有基于 I2C 的 PMBus 接口以及 100 多条命令和内置 EEPROM。LTC3880/-1 整合了同类最佳的模拟开关稳压控制器性能和高精度混合信号数据转换，可实现电源系统设计和管理的超卓简易性，此器件得到了具有易用型图形用户界面 (GUI) 的 LTpowerPlay 软件开发系统的支持。图 1 示出了典型的 LTC3880 应用原理图。

图 1：LTC3880 的典型应用原理图

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，从而最大限度地放宽大电流或多输出应用的输入和输出滤波要求。一个内置差分放大器提供了真正的远端输出电压采样。

集成型栅极驱动器可依靠范围为 4.5V 至 24V 的输入电压来为全 N 沟道功率 MOSFET 供电，而且在整个工作温度范围内，在输出电流高达每相 30A 时，该器件可产生准确度为 ±0.50% 并高达 5.5V 的输出电压。跨多个芯片的准确定时和基于事件的排序允许优化复杂和多轨系统的上电和断电。LTC3880 具有一个用于控制器和栅极驱动电源的内置 LDO，而 LTC3880-1 则允许用外部偏置电压实现最高效率。这两款器件都采用耐热性能增强型 6mm x 6mm QFN-40 封装。

用于数字电源系统管理的控制接口

PMBus 命令语言专为满足大型多轨系统的需要而开发，是一种采用完全定义的命令语言之开放标准电源管理协议，可简化与功率转换器、电源管理器件及系统主处理器的通信。除了一组精确定义的标准命令之外，符合 PMBus 标准的器件还能够执行其特有的专用命令，以提供一种对 POL DC/DC 转换器进行编程和监视的创新型方法。该协议通过业界标准的 SMBus 串行接口来执行，并实现了功率转换产品的编程、控制和实时监视。命令语言和数据格式标准化可实现简易的固件开发，从而加快了产品的面市进程。如需了解更多信息，请登录 http://pmbus.org 网站查询。

LTC3880/-1 的可编程控制参数包括输出电压、裕度调节、电流限值、输入和输出监控限值、上电排序和跟踪、开关频率、识别及可追溯性数据。片内高精度数据转换器和 EEPROM 允许捕获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进行非易失性存储。下面的表 1 罗列了可采用 LTC3880/-1 进行编程的一些参数、其高分辨率、遥测回读能力和替代解决方案。

表 1：某些 LTC3880/-1 可编程参数以及遥测回读能力和准确度

LTC3880/-1 的配置可以很容易地通过器件的 I2C 串行接口保存到内部EEPROM 中。由于配置存储在芯片上，所以该控制器能够自主上电，而不会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置可以选择通过外部电阻分压器进行配置。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 是一款适合众多功能 (例如：输出电压、电流限制设定点和排序等等) 的数字式可编程控制器，但它具有一个旨在实现最佳环路稳定性和瞬态响应的模拟反馈控制环路，而没有数字控制环路的量化效应。

图 2 示出了采用模拟反馈控制环路 (LTC3880) 和数字反馈控制环路的控制器 IC 内部不同的斜坡曲线。模拟环路具有一个平滑的斜坡，而数字环路则类似于一个阶跃函数，这会引起稳定性问题、减缓瞬态响应速度、并在某些应用中导致需要增加输出电容，而且，数字环路的量化效应将造成输出纹波增大。

图 2：LTC3880 的模拟控制环路与数字控制环路的比较

而且，相比于数字控制环路替代方案，LTC3880 最多能节省 50% 的输出电容值，同时稳定性也更好 (实现稳定所需的时间较短)。此外，数字控制瞬态响应在稳定之前还会出现振荡，这是由于量化效应及其 ADC 分辨率的局限性所造成的。图 3 对比了模拟控制环路与数字控制环路的瞬态响应。

图 3：25A 阶跃时模拟控制环路与数字控制环路的瞬态响应比较 (对于一个工作频率为 400kHz 的 12VIN 至 1.2VOUT DC/DC 转换器)。

再者，因 ADC、数字补偿器和数字 PWM 而产生的数字控制环路量化效应还将给输出纹波增加额外的电压 (取决于 ADC 的分辨率和环路设计)。与此相反，模拟控制环路则不存在这种额外的输出纹波电压。

结论

数字电源系统管理的主要优点之一是能够减低设计成本和加快产品的上市速度。通过采用一种具直观图形用户界面 (GUI) 的集成开发环境，可以高效地开发复杂的多轨系统。此类系统还通过利用 GUI (而不是焊接装配) 进行调整而简化了在线测试 (ICT) 和电路板调试。

数字电源系统管理的另一个优点是具备预知电源系统故障并启动保护性措施的潜力，这得益于实时遥测数据的提供。也许最重要的一点是：具有数字管理功能的 DC/DC 转换器将使得设计人员能够开发出“绿色”电源系统，此类电源系统可满足目标性能、且能够通过重新编排工作流程并将某些任务转移至那些工作量不足的服务器 (从而可将其他的服务器关断) 来确定何时降低总功耗。由于在负载点、电路板、支架、甚至安装级上的能源使用量极少，因而有助于降低基础设施成本以及产品生命周期中的总拥有成本。