引言

嵌入式系統(tǒng)、網(wǎng)絡和數(shù)據(jù)通信設備的系統(tǒng)設計師一直在被迫提高數(shù)據(jù)吞吐量和系統(tǒng)性能以及增加各種功能。同時，他們也面臨著降低系統(tǒng)總體功耗的壓力。例如，在數(shù)據(jù)中心中面臨的挑戰(zhàn)是，通過重新安排工作流程，將作業(yè)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(xiàn)這個目標，可以采用恰當設計的數(shù)字電源管理系統(tǒng)，這種系統(tǒng)能夠為用戶提供功耗數(shù)據(jù)，方便做出明智的能源管理決策。

為了更好地理解這個概念，考慮一下實際的嵌入式系統(tǒng)例子。大多數(shù)嵌入式系統(tǒng)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，一般為 12V，然后再進一步降至 3.3V，以給系統(tǒng)中一架一架的電路板供電。不過，這些電路板上的大多數(shù)子電路或 IC 需要以不到 1V 至 3V 的電壓以及數(shù)十毫安至數(shù)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(diào)節(jié)以及監(jiān)察有嚴格要求。

既然在數(shù)據(jù)通信、電信或存儲系統(tǒng)中可能有超過 50 個 PoL 電壓軌，那么系統(tǒng)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(nèi)核電壓之前上升，而某些 DSP 則要求其內(nèi)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(tǒng)，以針對每一個 DC/DC 轉換器優(yōu)化系統(tǒng)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(xiàn)的過壓情況保護昂貴的 ASIC，高速比較器必須監(jiān)視每個軌的電壓值，而且在某個軌超出其規(guī)定的安全工作限度時立即采取保護行動。在數(shù)字電源系統(tǒng)中，如果發(fā)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(xiàn)這種級別的保護需要合理的準確度和數(shù)十微妙量級的響應時間。

出于這些原因，數(shù)字電源轉換 IC 需要提供高度準確的數(shù)字電源系統(tǒng)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(jiān)視關鍵負載點轉換器功能。這些 IC 必須通過基于 I2C 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(nèi)置 EEPROM。這些器件必須兼有一流的模擬開關穩(wěn)壓器控制器和精確的混合信號數(shù)據(jù)轉換功能，以實現(xiàn)無比簡便的電源系統(tǒng)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(fā)系統(tǒng)支持這些器件。

更小就是更快

模擬電源進步常常是由所開發(fā)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(chǎn)品。這與數(shù)字工藝技術的進步不同，數(shù)字工藝技術的進步往往會在整個行業(yè)內(nèi)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(wěn)定型放大器、增量累加 A/D 轉換器、突發(fā)模式 (BurstMode®) 穩(wěn)壓器、帶隙基準以及 3 終端穩(wěn)壓器。然而，以不同工藝技術實現(xiàn)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(chǎn)生功能進一步增強的混合信號 IC。

數(shù)字 IC 線寬越來越小也對模擬 IC 產(chǎn)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(shù) (A/D) 轉換器就是一個很好的例子，線寬減小已經(jīng)導致產(chǎn)生了更快的 A/D 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(fā)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(xù)提高速度和精確度。

這些更小的線寬使一些數(shù)字功能得以實現(xiàn)，而以前在模擬 IC 上是不可行的。具電壓、電流和狀態(tài)信息數(shù)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(xiàn)了。線寬減小的一個附帶好處是，使用典型的小型數(shù)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(wěn)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(chǎn)生更好的基準、放大器和 RF IC。這些進步是由電路系統(tǒng)的精細化和優(yōu)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(chǎn)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(shù)，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。

數(shù)字電源系統(tǒng)管理 (DPSM)

在這樣的背景下，要為最終產(chǎn)品配置數(shù)字電源系統(tǒng)管理解決方案，系統(tǒng)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(shù)字通信總線配置和監(jiān)視的系統(tǒng)。這將通過運用以下各種總線之一實現(xiàn)：I2C、SMBus 或 PMBus。這些總線中的任何一種都能夠實現(xiàn)按需遙測功能，以設定、監(jiān)視、更改和記錄系統(tǒng)內(nèi)任何 PoL 轉換器配置的電源參數(shù)。圖 1 所示是對這種系統(tǒng)的簡要說明。[!--empirenews.page--]

圖 1：典型數(shù)字電源系統(tǒng)的管理系統(tǒng)配置

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。圖中最上面的轉換器采用了一個電源系統(tǒng)管理器芯片和一個傳統(tǒng) 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(tǒng)管理器，通過通信總線連接控制和監(jiān)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(nèi)置電源系統(tǒng)管理 (內(nèi)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(tǒng)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 µModule® 穩(wěn)壓器)。

凌力爾特公司提供廣泛的器件選擇，以使系統(tǒng)設計師能夠選擇怎樣用系統(tǒng)管理器以及與其相關的 PoL DC/DC 轉換器配置他們的數(shù)字電源系統(tǒng)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(shù)字系統(tǒng)電源管理的超低 DCR 檢測應用。

圖 2：LTC3884 原理圖，提供 1.5V/20A 和 1.0V/30A

LTC3884 在 4.5V 至 38V 輸入電壓范圍內(nèi)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?？删幊汰h(huán)路補償使該控制器能夠以數(shù)字方式補償。開關頻率、通道調(diào)相輸出電壓、以及器件地址都可以通過數(shù)字接口以及外部配置電阻器設定。此外，可以通過數(shù)字接口設定參數(shù)，或者將參數(shù)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™ 軟件開發(fā)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(fā)了 LTC3815，該器件是一款具數(shù)字系統(tǒng)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(tài)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(diào)節(jié)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?？梢酝ㄟ^標準 PMBus 接口以小至 0.1% 的增量對輸出進行上升或下降 25% 的裕度調(diào)節(jié)。

圖 3： LTC3815 應用原理圖，2.2V 至 5V 輸入至 0.4V/6A 輸出

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(tài)以及時間平均 (~4ms) 及峰值輸入 / 輸出電流、輸入 / 輸出電壓和溫度。

面向 DPSM 產(chǎn)品的 LTpowerPlay 通用 GUI

用 DPSM 產(chǎn)品設計的系統(tǒng)有一個關鍵優(yōu)勢，即憑借合適的 GUI 能夠非常容易地與系統(tǒng)內(nèi)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(fā)一個能夠作為完整開發(fā)平臺使用的 GUI，且該 GUI 要能夠非常容易地與凌力爾特 DPSM 產(chǎn)品線中提供的不同類型的產(chǎn)品一起使用，這就是基于 LTpowerPlay 窗口的開發(fā)環(huán)境。這個軟件不僅使同時控制和監(jiān)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(nèi)部 EEPROM 下載系統(tǒng)參數(shù)。這就允許在軟件中調(diào)節(jié)系統(tǒng)配置，而不是求助于久經(jīng)時間考驗的傳統(tǒng)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(fā)時間。不過，優(yōu)點并未到此為止。最終系統(tǒng)在諸如數(shù)據(jù)中心等現(xiàn)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(shù)，完成對系統(tǒng)的實時調(diào)節(jié)。圖 4 顯示了凌力爾特 LTpowerPlay 狀態(tài)顯示板的一個典型屏幕截圖，當用戶查詢系統(tǒng)時，會看到這樣的屏幕顯示內(nèi)容。

這款軟件開發(fā)系統(tǒng)支持所有凌力爾特 PMBus 產(chǎn)品，可幫助設計師在系統(tǒng)最初開發(fā)以及之后安裝在用戶處時快速調(diào)試系統(tǒng)。該開發(fā)系統(tǒng)允許快速和簡便地監(jiān)視、控制及調(diào)節(jié)電源電壓和各種限定值，并允許快速、簡便地實現(xiàn)電源排序。此外，生產(chǎn)裕度測試也可以簡便地用幾條標準 PMBus 命令執(zhí)行。[!--empirenews.page--]

圖 4：LTpowerPlay GUI 的典型狀態(tài)顯示板屏幕截圖

結論

數(shù)據(jù)通信、電信或存儲系統(tǒng)如果擁有數(shù)字電源管理功能，就可為系統(tǒng)設計師開發(fā)“綠色”電源系統(tǒng)提供必要的工具，使這些電源系統(tǒng)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(shù)據(jù)傳輸速率等)。這就降低了基礎設施成本以及產(chǎn)品壽命期內(nèi)的總體擁有成本。雖然采取傳統(tǒng)的烙鐵和重新布線的方法來調(diào)試硬件系統(tǒng)可能會得到樂趣，但是 DPSM 的軟件可編程性卻可顯著地節(jié)省通常與這類工作有關的調(diào)試時間。