重點講解關(guān)于高性能低成本的數(shù)字電源管理介紹

關(guān)于高性能低成本的數(shù)字電源管理介紹今天的網(wǎng)絡(luò)設(shè)備設(shè)計師面臨著開發(fā)時間迅速縮短和成本受到嚴格限制的壓力，但是人們?nèi)匀黄谕麄兡芡黄菩阅芟拗?，并增加功能。越來越多的網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)功能需要增加ASIC和處理器，而每個ASIC和處理器都需要幾種電壓軌，從而導(dǎo)致出現(xiàn)了具有幾十種軌電壓的線路卡。電壓軌如此之多帶來的挑戰(zhàn)是，優(yōu)化硬件利用率，以最大限度地降低總體功耗。為了滿足這種需求，數(shù)字電源管理作為復(fù)雜的高可靠性應(yīng)用之關(guān)鍵組件正在快速出現(xiàn)。數(shù)字電源管理允許通過基于PC的軟件工具，高效率地對復(fù)雜的多軌系統(tǒng)進行調(diào)試，從而可避免耗費大量時間更改硬件。相比于傳統(tǒng)的硬件ECN方法，基于軟件的線路內(nèi)測試(ICT)以及電路板開發(fā)與運行狀況檢驗工作大為簡化，這是因為固件變更可在PC上完成，而無需接觸電路板。數(shù)字電源管理為設(shè)計師提供了實時遙測數(shù)據(jù)和故障記錄，從而能實現(xiàn)電源系統(tǒng)故障的快速診斷，并迅速采取糾正行動。也許最有意義的是，具有數(shù)字管理功能的DC/DC轉(zhuǎn)換器允許設(shè)計師開發(fā)“綠色”電源系統(tǒng)，這類電源系統(tǒng)在滿足系統(tǒng)性能目標(計算速度、數(shù)據(jù)傳輸速率等等)的同時，還能優(yōu)化能源利用率。優(yōu)化可以在負載點、電路板和機架上，甚至在安裝階段進行，從而同時降低了基礎(chǔ)設(shè)施成本和產(chǎn)品在整個壽命期內(nèi)的總體擁有成本。本文探討了在網(wǎng)絡(luò)交換機和路由器、基站和服務(wù)器、以及工業(yè)和醫(yī)療設(shè)備中，怎樣通過使用LTC2974四通道數(shù)字電源管理IC來改善性能、可靠性和能效?！概仙?，中中?舞rX?l*'■JEM-UAm3THjnuuai「畔呻，中中?舞rX?l*'■JEM-UAm3THjnuuaiMME.^UC *IM一…sNS *40111TWJMf""Mloit4H?,*50M!tlULtttOHJ圖1：具備EEPROM的四通道電源控制器（僅顯示了一個通道）PMBusINTERFACE：PMBus接口TO/FROMOTHERDEVICES：至/自其他器件TOuPRESETBINPUT：至微處理器的復(fù)位B輸入WATCHDOGTIMERINTERRUPT:看門狗定時器中斷信號DC/DCCONVERTER：DC/DC轉(zhuǎn)換器SOMEDETIALSOMITTEDFORCLARITY：*為清晰起見，省略了一些細節(jié)ONLYONEOFFOURCHANNELSSHOWN：僅顯示了4個通道之中的1個*LTC2974MAYALSOBEPOWEREDDRIECTLYFROMEXTERNAL3.3VSUPPLY*LTC2974也可以直接由外部3.3V電源供電對任何數(shù)量的電源排序;隨意增加電源LTC2974簡化了任何數(shù)量電源的排序。通過使用一種基于時間的算法，用戶能以任何順序、動態(tài)地為電源的接通和斷開排序。利用單線共享時鐘總線以及一個或多個雙向故障引腳也可以跨多個LTC2974排序（參見圖2）。這種方法極大地簡化了系統(tǒng)設(shè)計，因為通道能按照任何順序排序，而不管由哪一個LTC2974提供控制。任何時間都可增加額外的LTC2974,而不必擔心系統(tǒng)限制，例如子卡連接器引腳供應(yīng)受限。圖2：僅用兩條連接，就可以無縫地級聯(lián)多個LTC2974SEQUENCESUPPLIESUPINANYORDER：以任何順序為電源加電排序INDIVIDUALMARGININGFORALLSUPPLIES：所有電源都可以單獨進行裕度調(diào)節(jié)SEQUENCESUPPLIESDOWNINANYORDER：以任何順序為電源斷電排序0.5V/DIV：每格0.5VAC-COUPLED：AC耦合加電排序可由各種條件響應(yīng)觸發(fā)。例如，當下游DC/DCPOL轉(zhuǎn)換器的中間總線電壓超過特定接通電壓時，LTC2974就可以自動排序?；蛘?，接通排序可以由控制引腳輸入的上升或下降沿啟動。該器件還可提供響應(yīng)故障情況的立即斷開或斷開排序。排序還可以由簡單的I2C命令啟動。LTC2974支持這些條件的任意組合。堅固的系統(tǒng)需要通用故障管理雙向故障引腳可用來建立通道之間故障響應(yīng)的相關(guān)性。例如，如果發(fā)生短路，那么一個或多個通道的接通排序可以終止。電壓和電流監(jiān)察器的限制門限和響應(yīng)時間的過大和過小值都是可編程的。此外，還可監(jiān)視輸入電壓、芯片溫度和4個外部二極管的溫度。LTC2974可以設(shè)定為，如果這些量之中的任意一個超過了它們的過大或過小值的限制，那么LTC2974就以若干種方式做出響應(yīng)，包括立即鎖斷、抗尖峰干擾鎖斷和具重試功能的鎖斷。還可用集成的看門狗定時器來監(jiān)視外部微控制器。有兩種超時時間間隔可用：第一次看門狗時間間隔和接續(xù)時間間隔。這使得有可能在一確定電源良好信號以后，就為微控制器規(guī)定較長的超時時間間隔。LTC2974可以配置為，如果發(fā)生看門狗故障，就使微控制器在預(yù)先確定的時間長度內(nèi)處于復(fù)位狀態(tài)，之后重新確定電源良好輸出。利用準確的電壓監(jiān)視來改善制造良率隨著電壓降至低于1.8V，很多現(xiàn)成有售的模塊在隨溫度變化滿足輸出電壓準確度的要求方面都會遇到麻

煩?，F(xiàn)在，低于±10mV的絕對準確度要求是常見的，從而必須在制造過程中微調(diào)輸出電壓，這是一個耗費大量時間的過程。原始設(shè)備制造商(OEM)必須給測試留出裕度，以確保面對不斷漂移的軌電壓，交付可靠的系統(tǒng)，這可能導(dǎo)致極大地影響制造良率。解決這一問題有一種好得多的辦法，即接受電源模塊不準確這個現(xiàn)實，使系統(tǒng)能在現(xiàn)場自我微調(diào)。LTC2974的數(shù)字伺服環(huán)路從外部微調(diào)該模塊的輸出電壓，使其準確度隨溫度變化好于±0.25%(參見圖3)，從而最大限度地減少了軌電壓漂移。除了改善制造良率，該數(shù)字伺服環(huán)路避開了模塊準確度限制，使給電源模塊供電變得更容易了。其E0CC507000504030201口0.0,0,0-0?0.口心3-0.02-0.03-25Q25Q其E0CC507000504030201口0.0,0,0-0?0.口心3-0.02-0.03-25Q25QTEMPERffiiaHfi'-JiMfrI4乎叫「.■ ——"ii■nwErpfWfticwns圖3：LTC2974可在整個溫度范圍內(nèi)提供卓越的電壓伺服準確度ERROR：誤差THREETYPICALPARTS：3款典型器件TEMPERATURE：溫度堅固的系統(tǒng)得自非常容易的裕度調(diào)節(jié)LTC2974的數(shù)字伺服環(huán)路10位DAC在為Shmoo繪圖等應(yīng)用保持高分辨率的同時，還允許用戶在很寬的范圍內(nèi)調(diào)節(jié)電源裕度。裕度調(diào)節(jié)是用單條命令通過I2C接口控制的，而且裕度調(diào)節(jié)DAC的輸出連接到反饋節(jié)點，或通過一個電阻器微調(diào)DC/DC轉(zhuǎn)換器的輸入。這個電阻器的值針對允許的輸出電壓裕度調(diào)節(jié)范圍設(shè)定了硬件限制，這對于軟件控制之下的電源是一項重要的安全措施。準確和溫度補償?shù)腄CR負載電流監(jiān)視為了實現(xiàn)所希望的功耗節(jié)省，有必要總結(jié)出所有工作模式時的負載特性。FPGA用戶優(yōu)化代碼，以最大限度地降低功率，而ASIC用戶根據(jù)吞吐量需求來調(diào)節(jié)內(nèi)核電壓。準確實時的遙測極大地簡化了這種任務(wù)。使用LTC2974,可以根據(jù)電壓、電流和溫度狀態(tài)寄存器確定系統(tǒng)是否處于正常狀態(tài)，同時多路轉(zhuǎn)換的16位？2ADC監(jiān)視輸入和輸出電壓、輸出電流、以及內(nèi)部和外部二極管溫度。由于內(nèi)核電壓越來越低這一趨勢，準確測量負載電流已經(jīng)變成了一種挑戰(zhàn)，因為使用精確的電流檢測電阻器可能導(dǎo)致不可接受的功率損耗。一種選擇是將電感器的DC電阻（DCR）用作電流分流組件。這么做有幾種優(yōu)勢，包括零附加功耗、更低的電路復(fù)雜性和成本。然而，電感器電阻與溫度有很大的相關(guān)性，而且準確測量電感器磁芯的溫度很難，會不可避免地引入電流測量誤差（參見圖4）。圖4：一款DC/DC轉(zhuǎn)換器的熱像顯示了實際電感器溫度和溫度監(jiān)測點之間的差別LTC2974憑借正在申請專利的溫度補償算法，使準確的DCR檢測成為可能，該算法補償從檢測二極管到電感器磁芯的溫度變化率，以及在電感器電流變化和溫度變化之間出現(xiàn)的時差（參見圖5）。這個功能與LTC2974DC/DCDC/DC轉(zhuǎn)換器的LTC2974總電流測量誤差的低噪聲16位？2ADC相結(jié)合，可利用DCR微乎其微的電感器實現(xiàn)負載電流的準確測量（參見圖6）。E城工也里E城工也里mrofWcwficn圖5：LTC2974用熱阻和延遲參數(shù)補償電感器自INDUCTORSELF-HEATING：電感器自熱TIME：時間?nMUR.Tn』忙口tin山LnQ-UJ5MH生父025?nMUR.Tn』忙口tin山LnQ-UJ5MH生父0250.20.150.10一比 ——30"C--2(rc-ic-cO,G一1TC-0.05H15M一522513啊翳CUfifiE.Nl>t'lHL—2trcsere—40*C"50'C—6MC-70*C一心c—9Q'C圖6：在整個溫度和輸出電流范圍內(nèi)，針對一款A(yù)VERAGEIOUTERROR(FULL-SCALE%)：平均IOUT誤差（滿標度%）CURRENTSETPOINT：電流設(shè)定點基于PC的設(shè)計和故障診斷當與LTpowerPlay?軟件一起使用時，LTC2974的故障和警報寄存器允許設(shè)計師（和現(xiàn)場用戶）一目了然地確定電源基礎(chǔ)設(shè)施的狀態(tài)（參見圖7）。在數(shù)據(jù)記錄中，提供狀態(tài)信息、可用時間和ADC遙測最后500ms的數(shù)據(jù)。如果為響應(yīng)一個故障而禁止了某個通道，那么LTC2974的數(shù)據(jù)記錄可以存入受保護的EEPROM中。這個255字節(jié)的數(shù)據(jù)塊一直保持在非易失性存儲器中，直到用I2C命令清除為止。圖7：LTpowerPlay軟件允許設(shè)計師通過一個纖巧的連接器，將PC插入系統(tǒng)，從而使電源管理系統(tǒng)能得到完整的配置和控制，而且一行代碼都不必編寫。圖7顯示，在LTpowerPlay的LTC2974界面中看到的數(shù)據(jù)記錄內(nèi)容。LTC2974以這種方式提供了在關(guān)鍵故障發(fā)生之前，電源系統(tǒng)狀態(tài)的完整瞬像，因此有可能在故障一發(fā)生時，就隔離故障根源。就調(diào)試高可靠性系統(tǒng)的預(yù)發(fā)布特征和現(xiàn)場故障而言，這是一種非常寶貴的功能。獨立工作基于PC且易于使用的LTpowerPlay軟件允許用戶通過USB接口和一個加密狗卡配置LTC2974。LTpowerPlay軟件是免費提供并可下載，允許設(shè)計師在一個直觀的界面中，配置所有器件參數(shù)，從而省去了開發(fā)過程中的大量編碼工作，并加快產(chǎn)品上市。一旦器件配置最終確定，設(shè)計師就可以將參數(shù)保存到文件中，并上載到凌力爾特的工廠中。凌力爾特可以用該文件預(yù)設(shè)定器件，從而使客戶能最便利地對電路板開發(fā)與運行狀況進行檢驗。當內(nèi)置EEPROM配置完成后，LTC2974就能徹底地自主工作，而無需定制軟件。此外，增加一個纖巧的連接器，就允許LTpowerPlay軟件與LTC2974進行系統(tǒng)內(nèi)的溝通，從而使現(xiàn)場用戶能按照需要存取遙測、系統(tǒng)狀態(tài)以及故障記錄數(shù)據(jù)。結(jié)論