双输出DC/DC控制器结合数字电源系统管理和模拟控制环路以实现高精度Vout(上) 电源, 数字控制

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尽管电源管理对新式电子系统的可靠运行至关重要，但是在今天以数字方式管理的系统中，稳压器也许是最后一个仍然存在的“盲点”。就稳压器而言，很少有办法直接配置或监视关键电源系统运行参数。因此，希望全面实现数字控制的电源设计师必须使用混杂在一起的排序器、微控制器和电压监察器，以设定基本的稳压器启动和安全功能。目前已有数字可编程 DC/DC 转换器可用，特别是那些为 VRM 内核电源而设计并具备 VID 输出电压控制功能的转换器，但是这类有特定应用目标的转换器不能直接沟通重要的工作参数，例如实时电流。　　LTC3880 / LTC3880-1 结合了双输出同步降压型 DC/DC 控制器和拥有通过基于 I2C 的 PMBus 总线使用全面的电源管理功能，这解决了复杂的电源系统管理问题。PMBus 可用来设定输出电压、电压裕度、开关频率、排序以及若干其他工作参数 （参见下面“PMBus控制”部分）。

　　

　　

　　图 1：采用外部功率 MOSFET 的双输出稳压器

　　LTC3880 还允许通过 16 位数据采集系统监视电源，这种方法可提供输入和输出电压及电流、占空比以及温度的数字回读，其中包括重要参数的峰值。LTC3880 还包括通过中断标志和非易失性存储器实现广泛的故障记录功能，非易失性存储器是一种“黑匣子”记录器，存储了在故障发生之前瞬间转换器的工作状态。
　　数字电源系统管理的一个主要好处是降低了设计费用，并加速了产品上市。LTC3880 / LTC3880-1 凭借免费提供和可下载的 LTpowerPlay™ 开发软件，极大地简化了复杂的多轨系统设计，该开发软件是一种基于 PC 的全面开发环境 （参见图 6）。在该环境中，在线测试 （ICT） 和电路板调试仅需要点击几下鼠标就可完成，而无需焊接到“白色导线”定位点中。由于可以使用实时遥测数据，所以可以立即得到设计结果，从而有可能预测电源系统故障，并立即采取预防性措施。
　　也许最重要的是，具备数字管理功能的 DC/DC 转换器允许设计师开发“绿色”电源系统，这类系统优化了能源利用率，同时满足系统性能目标 （计算速度、数据传输速率等等）。优化可以在负载点、电路板和机架上进行，甚至可以在安装阶段进行，从而降低了基础设施成本和产品整个寿命期内的总体拥有成本。
　　为了提供最佳性能调节，LTC3880 坚持采用精确的基准和温度补偿模拟电流模式控制环路，以产生严格的 ±0.5% DC 输出电压准确度。该模拟控制环路促成了非常容易的补偿，环路经过了校准，以不受工作条件的影响，该环路还可实现逐周期限流，并产生快速和准确的电压及负载瞬态响应，在运用数字控制的产品中没有见到与 ADC 量化有关的误差。
　　LTC3880 具备内置的稳压器以提高集成度，而 LTC3880-1 允许使用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，工作节温范围为 -40°C 至 105°C （E 级版本） 或 -40°C 至 125°C （I 级版本）。
　　模拟控制环路确保同类最佳的稳压器性能
　　LTC3880 / LTC3880-1 是数字可编程以实现无数功能，这包括输出电压和电流限制设定点以及排序。控制环路尽管是纯模拟的，但提供了最佳环路稳定性和瞬态响应，而不会产生数字控制环路的量化效应。图 2 比较了具备模拟反馈控制环路的控制器 IC 与具备数字反馈控制环路的控制器 IC 之斜坡曲线。模拟环路有平滑的斜坡，而数字环路有离散的步进，由于量化效应，这可能导致稳定性问题、较慢的瞬态响应、在某些应用中需要更大的输出电容以及在 PWM 控制信号上有更大的输出纹波和抖动。

　　

　　图 2：LTC3880 的模拟控制环路与数字控制环路的比较

　　ANALOG CONTROL LOOP：模拟控制环路
　　ANALOG CURRENT WAVEFORM：模拟电流波形
　　FIXED：固定的
　　DIGITAL CONTROL LOOP：数字控制环路
　　DIGITAL RAMP：数字斜坡
　　实际上，与具备数字控制环路的可比较 IC 相比，LTC3880 的模拟控制环路需要使用的输出电容小 50% 且具有更好的稳定性和更短的稳定时间。此外，由于存在 ADC 分辨率有限引起的量化效应，所以数字控制的瞬态响应在稳定之前有震荡。图 3 比较了 LTC3880 的模拟控制环路与同类 IC 的数字控制环路的瞬态响应。请注意，LTC3880 使用约等于数字控制器一半的输出电容，但产生了更干净的结果。

　　

　　图 3：在 15A 瞬态负载步进情况下，模拟和数字控制环路响应的比较。模拟控制环路需要的输出电容仅为数字环路的一半，同时实现了卓越得多的稳定时间

　　ANALOG CONTROL LOOP：模拟控制环路
　　100mV/DIV：每格 100mV
　　AC-COUPLED：AC 耦合
　　15A LOAD STEP：15A 负载步进
　　DIGITAL CONTROL LOOP：数字控制环路
　　LTC3880 设计为，当修改其配置文件时，环路增益不变。当修改输出电压或电流限制时，瞬态响应不受影响，而且补偿环路无需要调节。PMBus 控制
　　LTC3880 / LTC3880-1 具备数字设定和回读，以实时控制和监视关键负载点转换器的功能。配置可通过 I2C 串行接口下载至内部 EEPROM，凌力尔特基于 PC 的 LTpowerPlay 开发软件支持该接口。图 4 显示了具备 USB 至 I2C / SMBus / PMBus 适配器连接的 LTpowerPlay 开发平台。配置文件存储在内置的非易失性存储器中以后，控制器自主加电，而不会增加主机负担。配置电路板是一项简单的任务，完全不需要开发固件。

　　

　　图 4：用 LTpowerPlay 软件建立完整的开发平台非常容易

　　USB to PMBus Controller：USB 至 PMBus 控制器
　　Demo Board：演示电路板
　　Socketed Programming Board：有插座的设置电路板
　　Customer Board with LTC3880/LTC3880-1：采用 LTC3880 / LTC3880-1 的客户电路板
　　Demonstration Kit：演示套件
　　Or：或
　　Socketed Programming：通过插座设置
　　In-circuit Serial Programming：在线串行设置
　　PMBus 功能包括可设置特定的电源管理参数，包括：
　　l 输出电压和电压裕度
　　l 基于电感器温度的温度补偿电流限制门限
　　l 开关频率
　　l 过压和欠压高速监察器门限
　　l 输出电压接通 / 断开时间延迟
　　l 输出电压上升 / 下降时间
　　l 输入电压接通 / 断开门限
　　l 输出轨接通 / 断开
　　l 输出电压轨高裕度/低裕度
　　l 响应内部 / 外部故障
　　l 故障传播
　　此外，PMBus 功能允许监视电源的运行，包括：
　　l 输出 / 输入电压
　　l 输出 / 输入电流
　　l 内部芯片温度
　　l 外部电感器温度
　　l 器件状态
　　l 故障状态
　　l 系统状态
　　l 峰值输出电流
　　l 峰值输出电压
　　l 峰值内部 / 外部温度
　　l 故障记录状态
　　组成一个多轨系统
　　大型多轨电源电路板一般由一个隔离式中间总线转换器组成，将来自背板的 48V、24V 或其他相对较高的电压转换成较低的中间总线电压 （IBV），一般为 12V，该中间总线电压被分配到 PC 板卡各处。
　　单独的负载点 （POL） DC-DC 转换器将 IBV 降至所需的轨电压，轨电压通常在 0.5V 至 5V 范围，同时输出电流范围为 0.5A 至 120A。图 5 显示，怎样用各种不同的凌力尔特控制器和 DC/DC 转换器 PMBus 器件控制一个多轨系统。负载点 DC/DC 转换器可以是自含式模块、单片器件，或者由 DC/DC 控制器 IC 以及有关的电感器、电容器和 MOSFET 组成解决方案。这些轨通常对排序、电压准确度、过流和过压限制、裕度调节以及监察有严格的要求。

　　

　　图 5：用来控制 15 个或更多轨的 LTpowerPlay 和 PMBus