数字电源管理可在改善系统性能的同时又可降低能源成本 成本, 电源, 能源

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作者：凌力尔特公司混合信号产品设计经理 Andy Gardner

今天的网络设备设计师面临着开发时间迅速缩短和成本受到严格限制的压力，但是人们仍然期望他们能突破性能限制，并增加功能。越来越多的网络系统功能需要增加 ASIC 和处理器，而每个 ASIC 和处理器都需要几种电压轨，从而导致出现了具有几十种轨电压的线路卡。电压轨如此之多带来的挑战是，优化硬件利用率，以最大限度地降低总体功耗。

为了满足这种需求，数字电源管理作为复杂的高可靠性应用之关键组件正在快速出现。数字电源管理允许通过基于PC的软件工具，高效率地对复杂的多轨系统进行调试，从而可避免耗费大量时间更改硬件。相比于传统的硬件 ECN 方法，基于软件的线路内测试 (ICT) 以及电路板开发与运行状况检验工作大为简化，这是因为固件变更可在 PC 上完成，而无需接触电路板。数字电源管理为设计师提供了实时遥测数据和故障记录，从而能实现电源系统故障的快速诊断，并迅速采取纠正行动。

也许最有意义的是，具有数字管理功能的 DC/DC 转换器允许设计师开发“绿色”电源系统，这类电源系统在满足系统性能目标 (计算速度、数据传输速率等等) 的同时，还能优化能源利用率。优化可以在负载点、电路板和机架上，甚至在安装阶段进行，从而同时降低了基础设施成本和产品在整个寿命期内的总体拥有成本。

本文探讨了在网络交换机和路由器、基站和服务器、以及工业和医疗设备中，怎样通过使用 LTC2974 四通道数字电源管理 IC 来改善性能、可靠性和能效。



图 1：具备 EEPROM 的四通道电源控制器 (仅显示了一个通道)
PMBus INTERFACE：PMBus 接口
TO/FROM OTHER DEVICES：至/自其他器件
TO uP RESETB INPUT：至微处理器的复位 B 输入
WATCHDOG TIMER INTERRUPT：看门狗定时器中断信号
DC/DC CONVERTER：DC/DC 转换器
* SOME DETIALS OMITTED FOR CLARITY：* 为清晰起见，省略了一些细节
ONLY ONE OF FOUR CHANNELS SHOWN：仅显示了 4 个通道之中的 1 个

**LTC2974 MAY ALSO BE POWERED DRIECTLY FROM EXTERNAL 3.3V SUPPLY
** LTC2974 也可以直接由外部 3.3V 电源供电


对任何数量的电源排序；随意增加电源

LTC2974 简化了任何数量电源的排序。通过使用一种基于时间的算法，用户能以任何顺序、动态地为电源的接通和断开排序。利用单线共享时钟总线以及一个或多个双向故障引脚也可以跨多个 LTC2974 排序 (参见图 2)。这种方法极大地简化了系统设计，因为通道能按照任何顺序排序，而不管由哪一个 LTC2974 提供控制。任何时间都可增加额外的 LTC2974，而不必担心系统限制，例如子卡连接器引脚供应受限。



图 2：仅用两条连接，就可以无缝地级联多个 LTC2974

SEQUENCE SUPPLIES UP IN ANY ORDER：以任何顺序为电源加电排序
INDIVIDUAL MARGINING FOR ALL SUPPLIES：所有电源都可以单独进行裕度调节
SEQUENCE SUPPLIES DOWN IN ANY ORDER：以任何顺序为电源断电排序
0.5V/DIV：每格 0.5V
AC-COUPLED：AC 耦合


加电排序可由各种条件响应触发。例如，当下游 DC/DC POL 转换器的中间总线电压超过特定接通电压时，LTC2974 就可以自动排序。或者，接通排序可以由控制引脚输入的上升或下降沿启动。该器件还可提供响应故障情况的立即断开或断开排序。排序还可以由简单的 I2C 命令启动。LTC2974 支持这些条件的任意组合。

坚固的系统需要通用故障管理

双向故障引脚可用来建立通道之间故障响应的相关性。例如，如果发生短路，那么一个或多个通道的接通排序可以终止。电压和电流监察器的限制门限和响应时间的过大和过小值都是可编程的。此外，还可监视输入电压、芯片温度和 4 个外部二极管的温度。LTC2974 可以设定为，如果这些量之中的任意一个超过了它们的过大或过小值的限制，那么 LTC2974 就以若干种方式做出响应，包括立即锁断、抗尖峰干扰锁断和具重试功能的锁断。

还可用集成的看门狗定时器来监视外部微控制器。有两种超时时间间隔可用：第一次看门狗时间间隔和接续时间间隔。这使得有可能在一确定电源良好信号以后，就为微控制器规定较长的超时时间间隔。LTC2974 可以配置为，如果发生看门狗故障，就使微控制器在预先确定的时间长度内处于复位状态，之后重新确定电源良好输出。

利用准确的电压监视来改善制造良率

随着电压降至低于 1.8V，很多现成有售的模块在随温度变化满足输出电压准确度的要求方面都会遇到麻烦。现在，低于 ±10mV 的绝对准确度要求是常见的，从而必须在制造过程中微调输出电压，这是一个耗费大量时间的过程。

原始设备制造商 (OEM) 必须给测试留出裕度，以确保面对不断漂移的轨电压，交付可靠的系统，这可能导致极大地影响制造良率。解决这一问题有一种好得多的办法，即接受电源模块不准确这个现实，使系统能在现场自我微调。LTC2974 的数字伺服环路从外部微调该模块的输出电压，使其准确度随温度变化好于 ±0.25% (参见图 3)，从而最大限度地减少了轨电压漂移。除了改善制造良率，该数字伺服环路避开了模块准确度限制，使给电源模块供电变得更容易了。



图 3：LTC2974 可在整个温度范围内提供卓越的电压伺服准确度

ERROR：误差
THREE TYPICAL PARTS：3 款典型器件
TEMPERATURE：温度

坚固的系统得自非常容易的裕度调节

LTC2974 的数字伺服环路10 位 DAC 在为 Shmoo 绘图等应用保持高分辨率的同时，还允许用户在很宽的范围内调节电源裕度。裕度调节是用单条命令通过 I2C 接口控制的，而且裕度调节 DAC 的输出连接到反馈节点，或通过一个电阻器微调 DC/DC 转换器的输入。这个电阻器的值针对允许的输出电压裕度调节范围设定了硬件限制，这对于软件控制之下的电源是一项重要的安全措施。

准确和温度补偿的 DCR 负载电流监视

为了实现所希望的功耗节省，有必要总结出所有工作模式时的负载特性。FPGA 用户优化代码，以最大限度地降低功率，而 ASIC 用户根据吞吐量需求来调节内核电压。准确实时的遥测极大地简化了这种任务。

使用 LTC2974，可以根据电压、电流和温度状态寄存器确定系统是否处于正常状态，同时多路转换的 16 位 ∆∑ ADC 监视输入和输出电压、输出电流、以及内部和外部二极管温度。

由于内核电压越来越低这一趋势，准确测量负载电流已经变成了一种挑战，因为使用精确的电流检测电阻器可能导致不可接受的功率损耗。一种选择是将电感器的 DC 电阻 (DCR) 用作电流分流组件。这么做有几种优势，包括零附加功耗、更低的电路复杂性和成本。然而，电感器电阻与温度有很大的相关性，而且准确测量电感器磁芯的温度很难，会不可避免地引入电流测量误差 (参见图 4)。



图 4：一款 DC/DC 转换器的热像显示了实际电感器温度和温度监测点之间的差别

LTC2974 凭借正在申请专利的温度补偿算法，使准确的 DCR 检测成为可能，该算法补偿从检测二极管到电感器磁芯的温度变化率，以及在电感器电流变化和温度变化之间出现的时差 (参见图 5)。这个功能与 LTC2974 的低噪声 16 位 ∆∑ ADC 相结合，可利用 DCR 微乎其微的电感器实现负载电流的准确测量 (参见图 6)。



图 2：LTC2974 用热阻和延迟参数补偿电感器自热

INDUCTOR SELF-HEATING：电感器自热
TIME：时间



图 6：在整个温度和输出电流范围内，针对一款 DC/DC 转换器的 LTC2974 总电流测量误差

AVERAGE IOUT ERROR(FULL-SCALE %)：平均 IOUT 误差 (满标度 %)
CURRENT SET POINT：电流设定点

基于 PC 的设计和故障诊断

当与 LTpowerPlay™ 软件一起使用时，LTC2974 的故障和警报寄存器允许设计师 (和现场用户) 一目了然地确定电源基础设施的状态 (参见图 7)。在数据记录中，提供状态信息、可用时间和 ADC 遥测最后 500ms 的数据。如果为响应一个故障而禁止了某个通道，那么 LTC2974 的数据记录可以存入受保护的 EEPROM 中。这个 255 字节的数据块一直保持在非易失性存储器中，直到用 I2C 命令清除为止。



图 7：LTpowerPlay 软件允许设计师通过一个纤巧的连接器，将 PC 插入系统，从而使电源管理系统能得到完整的配置和控制，而且一行代码都不必编写。

图 7 显示，在 LTpowerPlay 的 LTC2974 界面中看到的数据记录内容。LTC2974 以这种方式提供了在关键故障发生之前，电源系统状态的完整瞬像，因此有可能在故障一发生时，就隔离故障根源。就调试高可靠性系统的预发布特征和现场故障而言，这是一种非常宝贵的功能。

独立工作

基于 PC 且易于使用的 LTpowerPlay 软件允许用户通过 USB 接口和一个加密狗卡配置 LTC2974。LTpowerPlay 软件是免费提供并可下载，允许设计师在一个直观的界面中，配置所有器件参数，从而省去了开发过程中的大量编码工作，并加快产品上市。

一旦器件配置最终确定，设计师就可以将参数保存到文件中，并上载到凌力尔特的工厂中。凌力尔特可以用该文件预设定器件，从而使客户能最便利地对电路板开发与运行状况进行检验。当内置 EEPROM 配置完成后，LTC2974 就能彻底地自主工作，而无需定制软件。此外，增加一个纤巧的连接器，就允许 LTpowerPlay 软件与 LTC2974 进行系统内的沟通，从而使现场用户能按照需要存取遥测、系统状态以及故障记录数据。

结论

LTC2974 数字电源管理器为高可用性系统提供了前所未有的参数准确度、丰富的功能和可扩展的模块化架构。用 LTC2974 可以简化复杂的多轨系统设计。该器件采用了业界标准的 PMBus 接口，可直接与功能强大、基于 PC 且免费提供的 LTpowerPlay 控制软件连接，并包括一个集成的 EEPROM 以实现彻底的定制化。客户可用 LTpowerPlay 设计工具设计应用，并简便地将配置上载到凌力尔特的工厂。凌力尔特能够采用您的定制配置在您的应用中产生安装即用的预编程器件。