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功率设计

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基于数字电源系统管理降低数据中心的功耗设计

导读: 在当今的新式电子系统中,稳压器的状态或许是所剩的最后一个“盲点”,因为一般情况下它们不具备对关键的操作参数进行直接配置或远程监视的方法。对于可靠运作而言,检测稳压器输出电压的时间漂移或过热状况并据此采取相应的行动可以说是至关紧要的。

  引言

 

  具有数字管理功能的DC/DC转换器将使得设计人员能够开发出“绿色”电源系统,此类电源系统可满足目标性能、且能够通过重新编排工作流程并将某些任务转移至那些工作量不足的服务器(从而可将其他的服务器关断)来确定何时降低总功耗。

  在当今的新式电子系统中,稳压器的状态或许是所剩的最后一个“盲点”,因为一般情况下它们不具备对关键的操作参数进行直接配置或远程监视的方法。对于可靠运作而言,检测稳压器输出电压的时间漂移或过热状况并据此采取相应的行动可以说是至关紧要的。设计精良的数字电源系统管理(DPSM)方案能够监视稳压器的性能并汇报其运行状况,以在其超出规格范围甚至发生故障之前采取纠正措施。

  如欲把DPSM 用于稳压器和电源设计,则要求工程师仔细查看一条学习曲线,以了解怎样通过计算机上的图形用户界面(GUI)来完成此类器件的编程和连接。这包括学习新的程序设计软件,而且每家提供数字电源器件的公司都有其独特的软件包。因此,应选择一家拥有经过缜密思考和用户友好型软件包及GUI 的公司,这一点很重要。此外,他们还应拥有一支信誉卓着的技术支持员工队伍,这支队伍具备在此类电源的设计过程中为客户提供帮助所需的各种能力。

 

  1 多轨板级电源系统

 

  大多数嵌入式系统均通过一块48V 背板来供电。一般将该电压降压至一个较低的中间总线电压(通常为12V 至3.3V),以为系统内部的电路板支架供电。然而,这些电路板上的子电路或IC 需要在低于1V 至3.3V 的电压范围以及数十mA至数百A的电流范围内运作。因此,为了将中间总线电压降压至子电路或IC 所需的期望电压,负载点(POL)DC/DC 转换器是必不可少的。这些电源轨具有严格的排序、电压准确度、裕度调节和监控要求。

  在数据通信、电信或存储系统中有可能存在多达20个POL电压轨,系统设计师需要一种按照其输出电压、排序和最大可容许电流来管理这些电压轨的简单方法。某些处理器要求其I/O 电压在其内核电压之前上升,而有些DSP 则要求其内核电压先于其I/O 电压上升。断电排序也是不可或缺的。设计人员需要一种简便易行的调整方法以优化系统性能并存储用于每个DC/DC 转换器的特定配置,从而达到简化设计工作的目的。

  为了避免昂贵ASIC 遭受过压情况的可能性,高速比较器必须监视每个电源轨的电压,并在某个电源轨超出其规定的安全操作限值范围时立即采取保护措施。在数字电源系统中,可以在发生故障时通过PMBus 报警线路通知主机,并可将有关的电源轨关断以对诸如ASIC 等受电器件实施保护。实现这种保护水平需要比较好的准确度以及大约数十μs的响应时间。

  凌力尔特公司近期推出的LTC3880/-1 提供了高度准确的数字电源系统管理,并利用其高分辨率可编程性及快速遥测回读实现了实时控制以及关键负载点转换器功能的监视。该器件是一款双通道输出、高效率同步降压型DC/DC 控制器,具有基于I2C 的PMBus 接口以及100 多条命令和板载EEPROM。LTC3880/-1 兼有同类最佳的模拟开关稳压控制器性能和精准混合信号数据转换,可极其方便地实现电源系统的设计和管理,该器件得到了具有易用型图形用户界面(GUI)的LTpowerPlayTM软件开发系统支持。图1示出了典型的LTC3880应用原理图。

 

  

 

  LTC3880/-1可调节两个独立的输出,或配置为两相单输出。多达6相可以交错和并联,以在多个IC之间实现准确的均流,从而最大限度地为大电流或多输出应用降低输入和输出滤波要求。一个板载差分放大器提供了真正的远端输出电压采样。集成型栅极驱动器可从范围为4.5V至24V的输入电压来驱动全N沟道功率mOSFET,而且在整个工作温度范围内,在输出电流高达每相30A 时,该器件可产生准确度为±0.50% 并高达5.5V的输出电压。LTC3880/-1 还可与电源模组和DRMOS 器件一起使用。跨多个芯片的准确定时和基于事件的排序允许优化复杂和多轨系统的上电和断电。LTC3880具有一个用于控制器和栅极驱动电源的内置LDO,而LTC3880-1则允许用外部偏置电压实现最高效率。这两款器件都采用耐热性能增强型6mm x 6mm QFN-40封装。

 

  2 用于数字电源系统管理的控制接口

 

  PMBus 命令语言专为满足大型多轨系统的需要而开发,是一种采用完全定义的命令语言的开放标准电源管理协议,可简化与功率转换器、电源管理器件及系统主处理器的通信。除了一组精确定义的标准命令之外,符合PMBus标准的器件还能够执行其特有的专用命令,以提供一种对POLDC/DC 转换器进行编程和监视的创新型方法。该协议通过业界标准的SMBus 串行接口来执行,并实现了功率转换产品的编程、控制和实时监视。命令语言和数据格式标准化可实现简易的固件开发,从而加快了产品的面市进程。

  LTC3880/-1可编程控制参数包括输出电压、裕度调节、电流限值、输入和输出监控限值、上电排序和跟踪、开关频率、识别及可追溯性数据。片内精准数据转换器和EEPROM允许收集稳压器配置设定值和遥测变量值,包括输入和输出电压及电流、占空比、温度以及故障记录,并对这些设定值和变量进行非易失性存储。下面的表1罗列了可采用LTC3880/-1 进行编程的一些参数、其高分辨率、遥测回读能力和替代解决方案。

 

  表1:某些LTC3880/-1 可编程参数以及遥测回读能力和准确度

  

 

  LTC3880/-1的配置可以很容易地通过器件的I2C串行接口保存到内部EEPROM中。由于配置存储在芯片上,所以该控制器可以自主上电,而不会增加主处理器的负担。输出电压、开关频率、相位和器件地址的缺省设置可以选择通过外部电阻分压器进行配置。多种设计可以非常容易地在固件中校准和配置,以为一系列应用优化单个硬件设计。

 

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