適用于所有場合的數字電源系統管理

摘要：本文介紹了一種適用于所場合的數字電源系統管理，分析了數據通信、電信或存儲系統使用數據電源管理功能，可以使電源系統在負載點、電路板、機架甚至安裝后以最低能耗滿足目標性能要求。本文網絡版地址：http：//www.eepw.com.cn/article/274759.htm關鍵詞：數字電源系統；嵌入式系統；低功耗；模擬電源DOI：10.3969/j.issn.1005-5517.2015.5.018

引言

嵌入式系統、網絡和數據通信設備的系統設計師一直在被迫提高數據吞吐量和系統性能以及增加各種功能。同時，他們也面臨著降低系統總體功耗的壓力。例如，在數據中心中面臨的挑戰是，通過重新安排工作流程，將作業轉移到未得到充分利用的服務器上，使其他服務器能夠停機，以此來降低總體功耗。不過，為了滿足這些要求，有必要了解最終用戶設備的功耗。為了實現這個目標，可以采用恰當設計的數字電源管理系統，這種系統能夠為用戶提供功耗數據，方便做出明智的能源管理決策。

大多數嵌入式系統通過48V背板供電。這個電壓通常被降至更低的中間總線電壓，一股為12V，然后再進一步降至3.3V，以給系統中電路板供電。不過，這些電路板上的大多數子電路或IC需要以不到1V至3V的電壓以及數十毫安至數百安培的電流工作。結果，負載點（PoL） DC/DC轉換器有必要將這一中間總線電壓降至子電路或IC所要求的電壓。而且，使問題更加復雜的是，這些電壓軌對排序、電壓準確度、裕度調節以及監察有嚴格要求。

既然在數據通信、電信或存儲系統中可能有超過50個PoL電壓軌，那么系統設計師就需要一種簡單的方法來管理這些軌的輸出電壓、排序以及可允許的最大電流。某些處理器要求其輸入/輸出（I/O）電壓在內核電壓之前上升，而某些DSP則要求其內核電壓在I/O電壓之前上升。使問題更加復雜的是，斷電排序也是必要的。因此，設計師們需要一種簡單的方法來更改系統，以針對每一個DC/DC轉換器優化系統性能和存儲特定配置值，進而從總體上簡化設計工作。

此外，為了針對可能出現過壓情況保護昂貴的ASIC，高速比較器必須監視每個軌的電壓值，而且在某個軌超出其規定的安全工作限度時立即采取保護行動。在數字電源系統中，如果發生故障，可以通過PMBus報警線路通知主機，而且可以關斷從屬軌，以保護ASIC等接受供電的器件。實現這種級別的保護需要合理的準確度和數十微秒量級的響應時間。

出于這些原因，數字電源轉換IC需要提供高度準確的數字電源系統管理以及高分辨率可編程性和快速遙測回讀，以實時控制和監視關鍵負載點轉換器功能。這些IC必須通過基于12C的PMBus接口、以超過100條命令提供高效率同步降壓型轉換，還必須有內置EEPROM。這些器件必須兼有一流的模擬開關穩壓器控制器和精確的混合信號數據轉換功能，以實現無比簡便的電源系統設計和管理。最后，還有一個迫切解決的問題，必須有具備易用圖形用戶界面（GUI）的軟件開發系統支持這些器件。

1 更小就是更快

模擬電源進步常常是由所開發的電路概念導致的。這類進步很少超出制造商范疇，最終幾乎不會進入多家公司的多種產品。這與數字工藝技術的進步不同，數字工藝技術的進步往往會在整個行業內快速普及，隨著時間推移得到普及的模擬IC設計概念包括斬波器穩定型放大器、增量累加A/D轉換器、突發模式（BurstMode@）穩壓器、帶隙基準以及3終端穩壓器。然而，以不同工藝技術實現復雜功能的知識依然在不斷增多。這些知識使得每年都能夠產生功能進一步增強的混合信號IC。

數字IC線寬越來越小也對模擬IC產生了影響。這些工藝技術的速度不斷加快，并提高了基于這些工藝技術制造的模擬IC的速度。模數（A/D）轉換器就是一個很好的例子，線寬減小已經導致產生了更快的AlD轉換器。電路的進步提高了分辨率和速度，最新器件以16位分辨率提供200Mbps的轉換率。隨著人們開發出速度越來越快、準確度越來越高的工藝技術，我們有理由認為，新器件將會繼續提高速度和精確度。

這些更小的線寬使一些數字功能得以實現，而以前在模擬IC上是不可行的。具電壓、電流和狀態信息數字回讀的電源控制器在提供電源功能的同一個芯片上實現了。線寬減小的一個附帶好處是，使用典型的小型數字工藝制造IC時，可以將DMOS晶體管包括進來。這些DMOS器件可以應對高壓和大電流，允許在同一個器件上全面集成電源轉換器、開關穩壓器以及電源和控制功能。

雙極型電路的技術進步逐步導致產生更好的基準、放大器和RF IC。這些進步是由電路系統的精細化和優化、而不是由任何類型的工藝技術突破導致的。模擬IC競爭格局使所有制造商都常備不懈地努力改進產品。不過，應該提到的一點是，既然模擬IC性能是基于真實世界參數，那么這些IC最終就有可能達到理論上的性能極限。一旦接近理論上的性能極限，進一步改進就不可能了。這就是為什么今天最暢銷、使用最廣泛的IC仍然是20多年以前設計的，而且在此期間沒有任何改變。

2 數字電源系統管理（DPSM）

在這樣的背景下，要為最終產品配置數字電源系統管理解決方案，系統設計師必須做哪些事情？一個主要目標將是，設計一個能夠非常容易地通過數字通信總線配置和監視的系統。這將通過運用以下各種總線之一實現：I2C、SMBus或PMBus。這些總線中的任何一種都能夠實現按需遙測功能，以設定、監視、更改和記錄系統內任何PoL轉換器配置的電源參數。圖1所示是對這種系統的簡要說明。

正如在這個例子中可以看到的那樣，這些PoL轉換器采用了3種不同拓撲配置。圖1中最上面的轉換器采用了一個電源系統管理器芯片和一個傳統DC/DC轉換器。該DC/DC轉換器可以采用任何類型的拓撲和任何程度的集成，因為這是電源系統管理器，通過通信總線連接控制和監視該轉換器。中間的PoL轉換器集成度更高，也就是說，DC/DC轉換器有內置電源系統管理（內置在同一封裝中）。最后，圖中最下面的PoL轉換器是一個緊湊型模塊，在一個外殼中納入了電源系統管理器、DC/DC轉換器以及所有相關的外部組件（凌力爾特公司稱這類模塊為uModule穩壓器）。

凌力爾特公司提供廣泛的器件選擇，以使系統設計師能夠選擇怎樣用系統管理器以及與其相關的PoLDC/DC轉換器配置他們的數字電源系統需求。圖2顯示了LTC3884的原理圖，該器件是一款雙輸出多相（PolyPhase）降壓型控制器，適用于具數字系統電源管理的超低DCR檢測應用。

LTC3884在4.5V至38V輸入電壓范圍內工作，提供兩路大電流輸出，具基于I2C的PMBus兼容串行接口。該控制器采用恒定頻率電流模式架構，其獨特的電路提高了電流檢測信號的信噪比，從而在超低DCR應用中提供了卓越的性能。可編程環路補償使該控制器能夠以數字方式補償。開關頻率、通道調相輸出電壓、以及器件地址都可以通過數字接口以及外部配置電阻器設定。此外，可以通過數字接口設定參數，或者將參數存儲在EEPROM中。兩路輸出都有獨立的電源良好指示器和故障功能。最后，具GUI的凌力爾特LTpowerPlay'M軟件開發工具（稍后更詳細地介紹）支持該器件。

有些應用可能需要PoL轉換器有更高的集成度，尤其是輸出電流不是很高的應用，例如在4A至6A范圍。針對這類情況，凌力爾特開發了LTC3815，該器件是一款具數字系統電源管理的6A單片同步降壓型轉換器，參見圖3。這款PoL轉換器采用一個可鎖相控制接通時間的恒定頻率、電流模式架構以提供極快的瞬態響應，并允許在所要求非常短的接通時間工作，以在高開關頻率調節低輸出電壓。輸出電壓可用單個外部電阻設定在0.4V至75%的輸入電壓范圍，或者用外部電壓基準通過基準輸入引腳來設定。可以通過標準PMBus接口以小至o.1%的增量對輸出進行上升或下降25%的裕度調節。

LTC3815的工作頻率可用一個外部電阻器編程在400kHz至4MHz范圍，或者針對開關噪聲敏感應用而言，可同步至一個相同范圍的外部時鐘。最后，其串行接口還可以用來回讀故障狀態以及時間平均（一4ms）及峰值輸入/輸出電流、輸入/輸出電壓和溫度。

3 面向DPSM產品的LTpowerPlay通用GUI

用DPSM產品設計的系統有一個關鍵優勢，即憑借合適的GUI能夠非常容易地與系統內每個單獨的PoL轉換器通信。因此，從一開始，凌力爾特公司就決定開發一個能夠作為完整開發平臺使用的GUI，且該GUI要能夠非常容易地與凌力爾特DPSM產品線中提供的不同類型的產品一起使用，這就是基于LTp owerPlay窗口的開發環境。這個軟件不僅使同時控制和監視多個PMBus支持的凌力爾特器件非常容易，而且還允許實時修改DC/DC轉換器配置，以及向每個器件的內部EEPROM下載系統參數。這就允許在軟件中調節系統配置，而不是求助于久經時間考驗的傳統方法來更換組件和用電烙鐵在電路板上重新連線，因此縮短了設計開發時間。不過，優點并未到此為止。最終系統在諸如數據中心等現場中部署完畢后，負責人可以利用這個GUI，通過合適的接口，簡便地更新PoL轉換器的工作參數，完成對系統的實時調節。圖4顯示了凌力爾特LTpowerPlay狀態顯示板的一個典型屏幕截圖，當用戶查詢系統時，會看到這樣的屏幕顯示內容。

這款軟件開發系統支持所有凌力爾特PMBus產品，可幫助設計師在系統最初開發以及之后安裝在用戶處時快速調試系統。該開發系統允許快速和簡便地監視、控制及調節電源電壓和各種限定值，并允許快速、簡便地實現電源排序。此外，生產裕度測試也可以簡便地用幾條標準PMBus命令執行。

4 結論

數據通信、電信或存儲系統如果擁有數字電源管理功能，就可為系統設計師開發“綠色”電源系統提供必要的工具，使這些電源系統能夠在負載點、電路板、機架級甚至安裝后以最低能耗滿足目標性能要求（計算速率、數據傳輸速率等）。這就降低了基礎設施成本以及產品壽命期內的總體擁有成本。雖然采取傳統的烙鐵和重新布線的方法來調試硬件系統可能會得到樂趣，但是DPSM的軟件可編程性卻可顯著地節省通常與這類工作有關的調試時間。