軟件管理電源系統(tǒng)的硬件

【W(wǎng)ord版本下載可任意編輯】軟件管理電源系統(tǒng)的硬件假設(shè)您考慮到軟件團(tuán)隊(duì)相對于其硬件伙伴所擁有的以下優(yōu)勢，那么就可以體會(huì)出：電源系統(tǒng)設(shè)計(jì)師和數(shù)字ASIC/FPGA/微處理器電路板設(shè)計(jì)人員對于從事軟件工程的同事略感“羨慕”或許是符合情理的。

●電路板硬件設(shè)計(jì)需要耗時(shí)幾天乃至數(shù)周，相比之下，從編寫軟件代碼到觀察其效果之間的時(shí)間延遲要短得多。對產(chǎn)品上市進(jìn)程造成限制的是其編碼和測試生產(chǎn)率，而與其他因素關(guān)系不大。

●軟件更新是根據(jù)需要“推送”給客戶，用以修補(bǔ)漏洞和改善現(xiàn)場使用性能。硬件更新則必需召回電路板開展返工。

●他們可以在舒適的小隔間里通過記錄的數(shù)據(jù)輕松地跟蹤其代碼的性能。性能瓶頸一下子就可以確定，因而能在未來實(shí)現(xiàn)快速改良。而在另一塊場地上，硬件工程師們則是一連幾天呆在實(shí)驗(yàn)室里，使用電壓計(jì)和示波器探頭彎腰駝背地的“搗鼓”各種電路板。

●他們編寫一組模塊代碼，隨后針對不同的客戶和市場需求開展相應(yīng)的修改。定制的硬件則需要變更組件和物料清單（BOM），因而冒著設(shè)計(jì)產(chǎn)生分歧的風(fēng)險(xiǎn)。

電源系統(tǒng)設(shè)計(jì)師面臨的挑戰(zhàn)日益嚴(yán)峻

使問題更加嚴(yán)重的是，隨著納米級(jí)處理器（ASIC、FPGA、微處理器、DSP）的電源電壓持續(xù)降低至目前的缺陷1V，新式數(shù)字電路板的電源系統(tǒng)設(shè)計(jì)團(tuán)隊(duì)面臨的挑戰(zhàn)就更加嚴(yán)峻。負(fù)載點(diǎn)（POL）電源的容限要求日益嚴(yán)格，已接近2%至3%，誤差預(yù)算包括負(fù)載步進(jìn)時(shí)的DC準(zhǔn)確度、紋波和瞬態(tài)偏移。請注意，0.9V電源的3%僅為27mV。在電源電壓下降、處理器中塞進(jìn)更多內(nèi)核的同時(shí)，電流值卻在上升，甚至超過了100A。在數(shù)百安培電流流經(jīng)電源及地平面的情況下保持?jǐn)?shù)十毫伏的準(zhǔn)確度是一個(gè)嚴(yán)峻的PDN（配電網(wǎng)絡(luò)）設(shè)計(jì)任務(wù)。與此同時(shí)，人們還在盡力提高處理能量的效率，以降低數(shù)據(jù)中心電費(fèi)和冷卻成本。隨著電路板溫度接近100oC，服務(wù)器機(jī)箱也變得越來越熱。設(shè)計(jì)周期越來越短，但是，視裕度測試結(jié)果的不同而不同，同時(shí)為了滿足不同市場及客戶的獨(dú)特需求，設(shè)計(jì)方案在一分鐘仍然需要各種修改。對于有多個(gè)電源的電路板，排序一直是一種常見要求，但是這種要求變得越來越復(fù)雜了，因?yàn)殡娫磾?shù)量多達(dá)20至50個(gè)，而且跨越了多種功率域。

迄今為止的解決方案

諸如排序、監(jiān)控、監(jiān)視和裕度調(diào)節(jié)等電源管理任務(wù)一直由一堆雜亂無章的組件完成，包括監(jiān)察器、排序器、ADC、DAC、放大器和微控制器。使這些分立器件協(xié)調(diào)一致地工作占據(jù)了大部分設(shè)計(jì)時(shí)間。集成型解決方案源于具有用于裕度調(diào)節(jié)、ADC監(jiān)視和EEPROM故障記錄之附加功能的監(jiān)控器和排序器。但是這些器件在修整、裕度調(diào)節(jié)和監(jiān)視方面的電壓準(zhǔn)確度欠佳。另外還有片內(nèi)系統(tǒng)（SoC）器件，此類器件集成了許多獨(dú)立的數(shù)字門和具有ADC、DAC、比較器及PWM輸出的邏輯電路。由于不具備任何的電源管理架構(gòu)，因此即使面對基本的任務(wù)，這些器件也需要開展大量的編程，從而消耗長達(dá)數(shù)月的時(shí)間來完成設(shè)計(jì)和驗(yàn)證工作。

由于人們竭力推進(jìn)電源系統(tǒng)的數(shù)字化管理，因此產(chǎn)生了各種數(shù)字電源解決方案，這些解決方案的DC/DC轉(zhuǎn)換器環(huán)路采用了ADC、數(shù)字補(bǔ)償器和數(shù)字PWM。由于這種采樣系統(tǒng)固有的量化，數(shù)字環(huán)路在電源輸出電壓中產(chǎn)生了更大的噪聲和紋波。而且，這類系統(tǒng)往往有較慢的瞬態(tài)響應(yīng)、準(zhǔn)確度欠佳甚至可能出現(xiàn)不規(guī)律、不可預(yù)期的運(yùn)行表現(xiàn)。而另一方面，模擬環(huán)路速度更快、噪聲更低、更可預(yù)測。管理多個(gè)電源時(shí)，需要對POL電源開展數(shù)字化配置以及與其開展數(shù)字化通信，但是電源環(huán)路本身依然可以保持是模擬的，這樣就可以同時(shí)充分利用模擬和數(shù)字技術(shù)的優(yōu)勢。

完整解決方案

凌力爾特一直牢記POL電源發(fā)展趨勢，已經(jīng)從頭開始設(shè)計(jì)了一種完整的數(shù)字電源系統(tǒng)管理（DPSM）解決方案。其理念就是，電源環(huán)路依然保持是模擬的，同時(shí)增加數(shù)字接口和數(shù)字控制。該解決方案如圖1所示。這個(gè)DPSM系列包括多種可互操作的器件，有的有內(nèi)置DC/DC轉(zhuǎn)換，有的則沒有，如圖2所示。所有這些器件都通過業(yè)界標(biāo)準(zhǔn)PMBus接口與電路板上的控制器通信。選擇PMBus可實(shí)現(xiàn)固件重用，有助于節(jié)省設(shè)計(jì)時(shí)間。對于那些自主工作而無需開發(fā)代碼的工程師，凌力爾特還提供工程級(jí)開發(fā)軟件LTpowerPlay，以定制器件配置。

圖1:凌力爾特的DPSM架構(gòu)。POL電源仍然保持是模擬的，同時(shí)增加了數(shù)字通信及數(shù)字控制。

（AnalogMonitoringandControl:模擬監(jiān)視與控制；USB-to-PMBus:USB至PMBus；BoardController:電路板控制器；LOGIC:邏輯電路。）

圖2:凌力爾特DPSM器件類型，視所控制的電源軌數(shù)量的不同而不同，每一類都提供多款器件。

（POWERSYSTEMMANAGER:電源系統(tǒng)管理器；AnyDC/DCConverterorLinearRegulator:任何DC/DC轉(zhuǎn)換器或線性穩(wěn)壓器；DC/DCCONTROLLERWITHPSM:具PSM的DC/DC控制器；uModuleREGULATORWITHPSM:具PSM的μModule穩(wěn)壓器；FreeDownload:；TOPMBusCONTROLLERANDOTHERDEVICES:至PMBus控制器及其他器件；LOAD:負(fù)載）

在這些符合PMBus標(biāo)準(zhǔn)的器件中，數(shù)字電源系統(tǒng)管理器是那種圍繞著某一現(xiàn)有模擬電源系統(tǒng)的器件。它們利用一個(gè)準(zhǔn)確度為0.25%的16位ADC來測量電源輸出電壓，將其與一個(gè)目標(biāo)電壓存放器開展比較，并通過一個(gè)反應(yīng)至電源之反應(yīng)引腳或修整引腳的10位電壓DAC輸出來調(diào)節(jié)電源?！?.25%的DC準(zhǔn)確度為電源在負(fù)載步進(jìn)時(shí)的變化提供了很大的裕度，從而降低了對旁路電容的需求，并節(jié)省了所需電路板面積。微調(diào)伺服環(huán)路連續(xù)監(jiān)視及調(diào)節(jié)電源，防止隨時(shí)間和溫度變化出現(xiàn)漂移，這改良了電路板的長期可靠性。由于電源電壓可以準(zhǔn)確設(shè)定，所以在現(xiàn)場開展電路板裕度測試時(shí)，減少了不必要的損失。該微調(diào)功能還能夠微調(diào)電源電壓，以優(yōu)化給定系統(tǒng)負(fù)載的能耗。ADC提供的電壓、電流和溫度數(shù)據(jù)可用來深入洞察系統(tǒng)性能，這有助于改良電路板可靠性、預(yù)測電路板更換時(shí)間以及降低功耗。上市時(shí)間也可得到改善，因?yàn)楹芏嘣O(shè)計(jì)的微調(diào)都是通過更改存放器配置完成的，而不是讓電路板再次進(jìn)入生產(chǎn)周期。

數(shù)字電源系統(tǒng)管理器的另一個(gè)強(qiáng)大功能是以黑匣子方式將故障數(shù)據(jù)記錄到內(nèi)部EEPROM中。當(dāng)發(fā)生故障時(shí)，通過分析存儲(chǔ)在非易失性EEPROM存儲(chǔ)器中的幾個(gè)周期的ADC監(jiān)視數(shù)據(jù)，故障分析大大加快了。這類管理器還能用來開展遠(yuǎn)程診斷。當(dāng)與更高層次的軟件集成時(shí)，還可以從遠(yuǎn)程位置監(jiān)視和診斷電路板的電源系統(tǒng)。類似地，現(xiàn)場升級(jí)也可以通過推送固件完成。視器件的不同而不同，電源排序通過時(shí)間延遲或級(jí)聯(lián)實(shí)現(xiàn)；也支持對電源的跟蹤。16通道數(shù)字電源系統(tǒng)管理器LTM2987如圖3所示。為了管理16個(gè)以上的電源，LTM2987非常容易與其他管理器協(xié)調(diào)工作。

圖3:LTM2987:16通道μModulePMBusDPSM以0.25%的準(zhǔn)確度開展微調(diào)、裕度調(diào)節(jié)和監(jiān)視

數(shù)字電源系統(tǒng)管理器非常適用于具4個(gè)或更多軌的現(xiàn)有電源系統(tǒng)。當(dāng)需要對電源限流值、開關(guān)頻率和斜坡斜率開展數(shù)字控制時(shí)，具數(shù)字電源系統(tǒng)管理的DC/DC控制器更加實(shí)用。這類器件具備速度很快的模擬電流模式控制環(huán)路，增加了數(shù)字遙測、配置和控制功能，可實(shí)現(xiàn)瞬態(tài)響應(yīng)。在大電流應(yīng)用中，準(zhǔn)確的多相（PolyPhase）均流實(shí)現(xiàn)了更低的輸入紋波。LTM4676等微型模塊系統(tǒng)級(jí)封裝集成了N溝道開關(guān)MOSFET、電感器和電容器，可實(shí)現(xiàn)緊湊的26A解決方案。參見圖4。

圖4:具DPSM的LTM4676雙輸出13A或單輸出26AμModule穩(wěn)壓器

結(jié)論