數字電源系統(tǒng)管理產品加快了系統(tǒng)部署和最大限度降低運行成本 從而實現預測性分析和更加明智的能耗管理
我們目前面臨的一個關鍵挑戰(zhàn)是，通過準確了解從宏觀到微觀的功率使用情況來降低功耗。例如，了解從大型伺服器群組到每個機架式系統(tǒng)中安裝在電路板上的電源之功率使用情況。在電壓軌很多的電路板上管理電源并實現靈活性可能非常困難，而且需要工程師用數字電壓表 (DVM) 和示波器進行人手探測，而且結果是常常需要更換 PCB 組件。為了簡化這類電源管理任務，人們開始通過數字通信總線來配置和監(jiān)視電源，這種趨勢越來越明顯。換言之，這種方式實現了設定、監(jiān)視、更改和記錄電源參數的遙測能力。這種方法經常稱為“數字電源”或“電源系統(tǒng)管理”，能夠使系統(tǒng)設計師在產生原型產品、部署和現場運行時，簡化和加速系統(tǒng)描述及優(yōu)化過程。
圖 1：使用數字電源系統(tǒng)管理產品，能夠針對任何規(guī)模的系統(tǒng)更加準確地管理能耗和運行成本，這類產品具備數字總線遙測功能、板級存儲器和軟件控制功能
數字電源系統(tǒng)管理：通過數字總線接口訪問、監(jiān)視和更改關鍵電源參數
數字電源系統(tǒng)管理 (Digital Power System Management ─ DPSM) 產品是通過兩線 PMBus 接口接受配置和監(jiān)視的。PMBus 是一種開放的 I2C 數字接口協(xié)議。這使得數字電源系統(tǒng)管理產品能夠與現有嵌入式系統(tǒng)和架構、安裝在電路板上的控制器 (Board Mount Controllers - BMC) 以及智能平臺管理接口 (Intelligent Platform Management Interface ─ IPMI) 功能實現無縫集成。為了簡單易用，尤其是在硬件開發(fā)及測試的早期，人們使用在 PC 上運行的圖形用戶界面 (Graphical User Interface ─ GUI)，通過 USB 至 PMBus 適配電路板與 DPSM 產品通信。圖 2 所示方框圖顯示了用 DPSM 控制 8 個負載點 (Point-of-Load ─ POL) 穩(wěn)壓器的典型方法。該圖包括若干 POL 穩(wěn)壓器、一個 DPSM 構件、數字總線以及一個收集和傳送數據的主控制器。
圖 2：具備數字遙測的數字電源系統(tǒng)管理產品允許隨時更改參數而不需更換硬件
DPSM 產品可以為用戶提供與電源有關的關鍵數據：用戶可以通過數字總線讀取負載電流、輸入電流、輸出電壓、計算功耗、效率以及讀取其他電源管理參數。這樣就能夠進行預測性分析、最大限度降低運行成本、增強可靠性并做出明智的能耗管理決策。
DPSM 的好處：電壓優(yōu)化提高 ASIC、FPGA 和處理器性能
在為 ASIC、FPGA 等低壓器件供電時，POL 穩(wěn)壓器的輸出電壓準確度至關重要。DPSM 產品用一個非常準確和穩(wěn)定的模數轉換器 (ADC) 不斷測量電源輸出電壓。時間伺服環(huán)路自動調節(jié)微調 DAC 的值，這消除了電源輸出電壓漂移，并極大地提高了準確度。另一方面，由于溫度變化和制造容限，傳統(tǒng)電源的輸出電壓會隨時間變化而漂移。這種電壓漂移可能超出設計裕度。此外，對于傳統(tǒng)電源而言，僅能通過更改 PCB 或更換元件來調節(jié)輸出電壓、排序安排以及電壓和電流監(jiān)察門限。
圖 3 總結了 DPSM 產品 (右) 與傳統(tǒng) POL 轉換器 (左) 相比較的優(yōu)點。
圖 3：DPSM 產品用非常準確和穩(wěn)定的 ADC 不斷測量電源輸出電壓。諸如 LTpowerPlay™ 等簡單的 GUI 可用來進行電源參數的 READ / WRITE
PSM 的好處：動態(tài)控制電源參數以降低能耗
傳統(tǒng)電源的電壓是固定的，而且不可能輕易地隨時改變。另一方面，以數字方式管理的電源卻可通過行業(yè)標準的兩線數字接口調節(jié)，而且有些電源的分辨率好于 1mV。憑借 DPSM 產品，人們可以微調系統(tǒng)性能，最大限度地減少功率浪費，采用動態(tài)電壓及頻率調節(jié)等方法，這類方法已經顯示可降低總體系統(tǒng)能耗。
圖 4：DPSM 產品可以輕松配置，以通過 LTpowerPlay 等簡單的 GUI來微調系統(tǒng)性能，并通過采用動態(tài)電壓和頻率調節(jié)等方法，最大限度地減少功率浪費
PSM 的好處：遙測和板上非易失性存儲器可實現精確無縫的系統(tǒng)監(jiān)視、保護和數據記錄
在傳統(tǒng)電源中，有些復雜系統(tǒng)監(jiān)視功能通常是與 DC/DC 穩(wěn)壓器分離的，需要額外的監(jiān)察 IC 或電路。此外，雖然可以檢測過壓 (OV)、欠壓 (UV) 和過流 (OC) 故障等板級功能，但不是所有檢測結果都向主控制器報告，至少不是以簡單、無縫的方式報告。
在以數字方式管理的穩(wěn)壓器中，電源監(jiān)視功能是內置和可編程的。一個 POL 的故障情況可以輕易與其他 POL 相結合以產生針對各種故障情況的定制響應。
通過 DPSM 產品，檢測到的故障能夠與準確度很高的電壓、電流和溫度測量結果相關聯。內部非易失性存儲器可以存儲對調試和根本原因分析的有用信息。
另一個感興趣的題目是系統(tǒng)電壓軌的準確排序安排，這種安排常常在電路板制造完畢、電源電壓斜坡率需要調整時才能知道。在傳統(tǒng)電源中，雖然可以完成排序和斜坡上升，但是這些值是靜態(tài)的，只能通過電路板級更改才能調節(jié)。隨著穩(wěn)壓器配備了 DPSM 能力，電源參數就可以通過軟件配置了。因此不再需要電路板級或組件級更改。電源參數校正可以在室內完成，因此無需重新鑒定，也不會導致產品延遲上市。
一個顯然的優(yōu)勢是調試和故障查找更快、更簡單。在傳統(tǒng)電源設計中，調試和故障查找是用外部測量儀表和探頭完成的，這使得測量難以進行。在以數字方式管理的電源中，測試硬件是內置到每個 POL 中的，測量值可以運用 GUI、通過數字接口讀取。
最后的例子是裕度測試。裕度測試的做法是，故意超出電源限制以模擬最差性能。裕度測試是惟一可接受的另一種最差情況分析方法，這非常昂貴并需耗費大量時間。
在傳統(tǒng) POL 中加入裕度測試提高了復雜性，而且由于制造容限而導致不準確問題。在 DPSM 產品中，裕度測試是內置的，非常準確。此外，每個 POL 都可能有自己的裕度水平 (高和低)，但是憑借 DPSM 產品，電源電壓的復雜組合可以通過數字接口設定。這為最差情況系統(tǒng)級性能分析提供了一種快速和簡便的方法。
控制電源：具備 DPSM 能力的雙通道 13A 微型模塊穩(wěn)壓器
凌力爾特公司提供的 DPSM 產品包括電源系統(tǒng)管理 IC，如圖 5 所示 (這些 IC 不包括 DC/DC 穩(wěn)壓器功能，但是控制系統(tǒng)板上的穩(wěn)壓器，如上部的圖所示)。
下一個系列是 DC/DC 穩(wěn)壓器 IC，這些穩(wěn)壓器包括數字電源系統(tǒng)管理功能，如圖 5 中部的圖所示。
DPSM 系列中增加的一個新系列是具備 PSM 的微型模塊 (µModule®) 電源產品。微型模塊穩(wěn)壓器包括電感器、功率 MOSFET 和補償電路，如圖 5 下部的圖所示。LTM4676 是這個系列的首款微型模塊產品。
除了為一或兩個負載點供電，LTM4676 還可通過 PMBus 來配置，并對電源及電源管理參數進行遙測監(jiān)視。PMBus 是一種開放并基于 I2C 的數字串行接口協(xié)議。運用 LTM4676 的兩線串行接口，可設定輸出裕度、微調輸出，還可按照排序延遲時間使輸出以可編程轉換率斜坡上升或下降。LTM4676 具備一個內置的 16 位 ADC 和一個基于 I2C 的接口，用戶可以回讀輸入和輸出電流及電壓、輸出功率、溫度以及運行時間。有些峰值是可讀的。輸出電壓在檢測點上調節(jié)，隨溫度、電壓和負載條件變化調節(jié)準確度好于 ±1%。如需更嚴格的規(guī)格選擇，可與我們聯系。
該器件規(guī)定，在 10A 負載時的輸出電流回讀為 ±2.5%。這樣的準確度使得能夠準確地描述和監(jiān)視 ASIC、FPGA 和 CPU/GPU 的功耗。再結合可隨時微調輸出電壓的能力，LTM4676 為實現動態(tài)電壓調節(jié)、減載以及其他方法創(chuàng)造了機會，可以按照用戶設定的電源管理目標，最充分地挖掘系統(tǒng)的價值。
運用 LTM4676，就能夠以數字方式監(jiān)視系統(tǒng)中的所有電壓軌，而且易于實現。通過數字監(jiān)視，可詳細了解能耗、加載模式和長期趨勢。這類數據使我們有機會開發(fā)預測性分析，針對預防性維護調度做出有根據的決策。
故障日志功能允許檢索 LTM4676 直至系統(tǒng)停機事件之前瞬間記錄的數據。這在高端系統(tǒng)中，可以將診斷問題的時間減少數小時甚至數天，而且校正診斷出的問題也非常簡單，通過 PC 更改某些寄存器設定就可以。此外，還可以現場監(jiān)視和升級系統(tǒng)電源。
圖 5a：LTM4676 是一款具備 DPSM 能力的雙通道 13A 或單通道 26A µModule 穩(wěn)壓器。該器件采用 16mm x 16mm x 5.01mm BGA 封裝，簡化了 DC/DC 電路設計和數字遙測。
圖 5b
總結
LTM4676 µModule穩(wěn)壓器具備數字遙測和數字電源系統(tǒng)管理能力，使系統(tǒng)設計師能夠在產生原型產品、部署及現場運行時，簡化和加速系統(tǒng)描述及優(yōu)化。該器件提供極其準確的電源參數讀寫，經過優(yōu)化，可與電壓非常低、功率非常大的 IC 一起使用，例如 ASIC、FPGA 和處理器。讓我們用 LTM4676 控制您的系統(tǒng)電源吧!
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