利用數字電源系統管理降低數據中心的功耗

標簽：DC/DC 轉換 DSP

具有數字管理功能的DC/DC轉換器將使得設計人員能夠開發出“綠色”電源系統，此類電源系統可滿足目標性能、且能夠通過重新編排工作流程并將某些任務轉移至那些工作量不足的服務器(從而可將其他的服務器關斷)來確定何時降低總功耗。

好幾年以來，許多公司都對數字電源進行了大肆的宣傳，有的公司認為：數字電源包括數字功能和一個帶電源的通信鏈路。另有一些公司則表示：數字電源是一種具有一顆采用數字脈寬調制(PWM)內置芯片的狀態機。還有一些廠家指出：數字電源包括一個運行某種算法(該算法用于補償控制環路)的通用型數字信號處理器(DSP)，而且僅僅依靠一根串行總線并不能提供數字電源解決方案。甚至有其他公司認為：數字電源具有一個帶狀態機或DSP的數字PWM環路。所有這些描述都可以說是令人大惑不解、無所適從，而且部分此類方法并不能產生優良的性能。但是，在數字電源設計正確的情況下，它就能夠降低數據中心的功耗、縮短產品的面市時間、擁有卓越的穩定性和瞬態響應性能、并提高總體系統的可靠性(比如在網絡設備中)。

網絡設備的系統設計師正面臨著提升其系統的數據吞吐量和性能并增加功能及特點的壓力。與此同時，如何減少系統的總功耗也是其必需應對的難題。在數據中心里，人們所面對的挑戰是需要通過重新編排工作流程并將某些任務轉移至那些工作量不足的服務器(從而可將其他的服務器關斷)來降低總功耗。為了滿足這些需求，了解終端用戶設備的功耗是非常重要的。正確設計的數字電源管理系統能夠為用戶提供功耗數據，這樣就可以做出靈活的能量管理決策。

在當今的新式電子系統中，穩壓器的狀態或許是所剩的最后一個“盲點”，因為一般情況下它們不具備對關鍵的操作參數進行直接配置或遠程監視的方法。對于可靠運作而言，檢測穩壓器輸出電壓的時間漂移或過熱狀況并據此采取相應的行動可以說是至關緊要的。設計精良的數字電源系統管理(DPSM)方案能夠監視穩壓器的性能并匯報其運行狀況，以在其超出規格范圍甚至發生故障之前采取糾正措施。

如欲把DPSM 用于穩壓器和電源設計，則要求工程師仔細查看一條學習曲線，以了解怎樣通過計算機上的圖形用戶界面(GUI)來完成此類器件的編程和連接。這包括學習新的程序設計軟件，而且每家提供數字電源器件的公司都有其獨特的軟件包。因此，應選擇一家擁有經過縝密思考和用戶友好型軟件包及GUI 的公司，這一點很重要。此外，他們還應擁有一支信譽卓著的技術支持員工隊伍，這支隊伍具備在此類電源的設計過程中為客戶提供幫助所需的各種能力。

多軌板級電源系統

大多數嵌入式系統均通過一塊48V 背板來供電。一般將該電壓降壓至一個較低的中間總線電壓(通常為12V 至3.3V)，以為系統內部的電路板支架供電。然而，這些電路板上的子電路或IC 需要在低于1V 至3.3V 的電壓范圍以及數十mA至數百A的電流范圍內運作。因此，為了將中間總線電壓降壓至子電路或IC 所需的期望電壓，負載點(POL)DC/DC 轉換器是必不可少的。這些電源軌具有嚴格的排序、電壓準確度、裕度調節和監控要求。

在數據通信、電信或存儲系統中有可能存在多達20個POL電壓軌，系統設計師需要一種按照其輸出電壓、排序和最大可容許電流來管理這些電壓軌的簡單方法。某些處理器要求其I/O 電壓在其內核電壓之前上升，而有些DSP 則要求其內核電壓先于其I/O 電壓上升。斷電排序也是不可或缺的。設計人員需要一種簡便易行的調整方法以優化系統性能并存儲用于每個DC/DC 轉換器的特定配置，從而達到簡化設計工作的目的。

為了避免昂貴ASIC 遭受過壓情況的可能性，高速比較器必須監視每個電源軌的電壓，并在某個電源軌超出其規定的安全操作限值范圍時立即采取保護措施。在數字電源系統中，可以在發生故障時通過PMBus 報警線路通知主機，并可將有關的電源軌關斷以對諸如ASIC 等受電器件實施保護。實現這種保護水平需要比較好的準確度以及大約數十μs的響應時間。

凌力爾特公司近期推出的LTC3880/-1 提供了高度準確的數字電源系統管理，并利用其高分辨率可編程性及快速遙測回讀實現了實時控制以及關鍵負載點轉換器功能的監視。該器件是一款雙通道輸出、高效率同步降壓型DC/DC 控制器，具有基于I2C 的PMBus 接口以及100 多條命令和板載EEPROM。LTC3880/-1 兼有同類最佳的模擬開關穩壓控制器性能和精準混合信號數據轉換，可極其方便地實現電源系統的設計和管理，該器件得到了具有易用型圖形用戶界面(GUI)的LTpowerPlayTM軟件開發系統支持。圖1示出了典型的LTC3880應用原理圖。

圖1：具有兩個大電流輸出的應用原理圖(采用LTC3880)

LTC3880/-1可調節兩個獨立的輸出，或配置為兩相單輸出。多達6相可以交錯和并聯，以在多個IC之間實現準確的均流，從而最大限度地為大電流或多輸出應用降低輸入和輸出濾波要求。一個板載差分放大器提供了真正的遠端輸出電壓采樣。集成型柵極驅動器可從范圍為4.5V至24V的輸入電壓來驅動全N溝道功率mOSFET，而且在整個工作溫度范圍內，在輸出電流高達每相30A 時，該器件可產生準確度為±0.50% 并高達5.5V的輸出電壓。LTC3880/-1 還可與電源模組和DRMOS 器件一起使用。跨多個芯片的準確定時和基于事件的排序允許優化復雜和多軌系統的上電和斷電。LTC3880具有一個用于控制器和柵極驅動電源的內置LDO，而LTC3880-1則允許用外部偏置電壓實現最高效率。這兩款器件都采用耐熱性能增強型6mm x 6mm QFN-40封裝。

用于數字電源系統管理的控制接口

PMBus 命令語言專為滿足大型多軌系統的需要而開發，是一種采用完全定義的命令語言的開放標準電源管理協議，可簡化與功率轉換器、電源管理器件及系統主處理器的通信。除了一組精確定義的標準命令之外，符合PMBus標準的器件還能夠執行其特有的專用命令，以提供一種對POLDC/DC 轉換器進行編程和監視的創新型方法。該協議通過業界標準的SMBus 串行接口來執行，并實現了功率轉換產品的編程、控制和實時監視。命令語言和數據格式標準化可實現簡易的固件開發，從而加快了產品的面市進程。如需了解更多信息，請登錄http://pmbus.org 網站查詢。