高性能低成本的數字電源管理介紹

今天的網絡設備設計師面臨著開發時間迅速縮短和成本受到嚴格限制的壓力，但是人們仍然期望他們能突破性能限制，并增加功能。越來越多的網絡系統功能需要增加ASIC和處理器，而每個ASIC和處理器都需要幾種電壓軌，從而導致出現了具有幾十種軌電壓的線路卡。電壓軌如此之多帶來的挑戰是，優化硬件利用率，以最大限度地降低總體功耗。

為了滿足這種需求，數字電源管理作為復雜的高可靠性應用之關鍵組件正在快速出現。數字電源管理允許通過基于PC的軟件工具，高效率地對復雜的多軌系統進行調試，從而可避免耗費大量時間更改硬件。相比于傳統的硬件ECN方法，基于軟件的線路內測試(ICT)以及電路板開發與運行狀況檢驗工作大為簡化，這是因為固件變更可在PC上完成，而無需接觸電路板。數字電源管理為設計師提供了實時遙測數據和故障記錄，從而能實現電源系統故障的快速診斷，并迅速采取糾正行動。

也許最有意義的是，具有數字管理功能的DC/DC轉換器允許設計師開發“綠色”電源系統，這類電源系統在滿足系統性能目標(計算速度、數據傳輸速率等等)的同時，還能優化能源利用率。優化可以在負載點、電路板和機架上，甚至在安裝階段進行，從而同時降低了基礎設施成本和產品在整個壽命期內的總體擁有成本。

本文探討了在網絡交換機和路由器、基站和服務器、以及工業和醫療設備中，怎樣通過使用LTC2974四通道數字電源管理IC來改善性能、可靠性和能效。

圖1：具備EEPROM的四通道電源控制器(僅顯示了一個通道)

PMBus INTERFACE：PMBus接口TO/FROM OTHER DEVICES：至/自其他器件TO uP RESETB INPUT：至微處理器的復位B輸入WATCHDOG TIMER INTERRUPT：看門狗定時器中斷信號DC/DC CONVERTER：DC/DC轉換器* SOME DETIALS OMITTED FOR CLARITY：*為清晰起見，省略了一些細節ONLY ONE OF FOUR CHANNELS SHOWN：僅顯示了4個通道之中的1個**LTC2974 MAY ALSO BE POWERED DRIECTLY FROM EXTERNAL 3.3V SUPPLY ** LTC2974也可以直接由外部3.3V電源供電對任何數量的電源排序;隨意增加電源LTC2974簡化了任何數量電源的排序。通過使用一種基于時間的算法，用戶能以任何順序、動態地為電源的接通和斷開排序。利用單線共享時鐘總線以及一個或多個雙向故障引腳也可以跨多個LTC2974排序(參見圖2)。這種方法極大地簡化了系統設計，因為通道能按照任何順序排序，而不管由哪一個LTC2974提供控制。任何時間都可增加額外的LTC2974，而不必擔心系統限制，例如子卡連接器引腳供應受限。

圖2：僅用兩條連接，就可以無縫地級聯多個LTC2974 SEQUENCE SUPPLIES UP IN ANY ORDER：以任何順序為電源加電排序INDIVIDUAL MARGINING FOR ALL SUPPLIES：所有電源都可以單獨進行裕度調節SEQUENCE SUPPLIES DOWN IN ANY ORDER：以任何順序為電源斷電排序0.5V/DIV：每格0.5V AC-COUPLED：AC耦合加電排序可由各種條件響應觸發。例如，當下游DC/DC POL轉換器的中間總線電壓超過特定接通電壓時，LTC2974就可以自動排序。或者，接通排序可以由控制引腳輸入的上升或下降沿啟動。該器件還可提供響應故障情況的立即斷開或斷開排序。排序還可以由簡單的I2C命令啟動。LTC2974支持這些條件的任意組合。

堅固的系統需要通用故障管理雙向故障引腳可用來建立通道之間故障響應的相關性。例如，如果發生短路，那么一個或多個通道的接通排序可以終止。電壓和電流監察器的限制門限和響應時間的過大和過小值都是可編程的。此外，還可監視輸入電壓、芯片溫度和4個外部二極管的溫度。LTC2974可以設定為，如果這些量之中的任意一個超過了它們的過大或過小值的限制，那么LTC2974就以若干種方式做出響應，包括立即鎖斷、抗尖峰干擾鎖斷和具重試功能的鎖斷。

還可用集成的看門狗定時器來監視外部微控制器。有兩種超時時間間隔可用：第一次看門狗時間間隔和接續時間間隔。這使得有可能在一確定電源良好信號以后，就為微控制器規定較長的超時時間間隔。LTC2974可以配置為，如果發生看門狗故障，就使微控制器在預先確定的時間長度內處于復位狀態，之后重新確定電源良好輸出。

利用準確的電壓監視來改善制造良率隨著電壓降至低于1.8V，很多現成有售的模塊在隨溫度變化滿足輸出電壓準確度的要求方面都會遇到麻煩。現在，低于±10mV的絕對準確度要求是常見的，從而必須在制造過程中微調輸出電壓，這是一個耗費大量時間的過程。

原始設備制造商(OEM)必須給測試留出裕度，以確保面對不斷漂移的軌電壓，交付可靠的系統，這可能導致極大地影響制造良率。解決這一問題有一種好得多的辦法，即接受電源模塊不準確這個現實，使系統能在現場自我微調。LTC2974的數字伺服環路從外部微調該模塊的輸出電壓，使其準確度隨溫度變化好于±0.25%(參見圖3)，從而最大限度地減少了軌電壓漂移。除了改善制造良率，該數字伺服環路避開了模塊準確度限制，使給電源模塊供電變得更容易了。

圖3：LTC2974可在整個溫度范圍內提供卓越的電壓伺服準確度ERROR：誤差THREE TYPICAL PARTS：3款典型器件TEMPERATURE：溫度堅固的系統得自非常容易的裕度調節LTC2974的數字伺服環路10位DAC在為Shmoo繪圖等應用保持高分辨率的同時，還允許用戶在很寬的范圍內調節電源裕度。裕度調節是用單條命令通過I2C接口控制的，而且裕度調節DAC的輸出連接到反饋節點，或通過一個電阻器微調DC/DC轉換器的輸入。這個電阻器的值針對允許的輸出電壓裕度調節范圍設定了硬件限制，這對于軟件控制之下的電源是一項重要的安全措施。

準確和溫度補償的DCR負載電流監視為了實現所希望的功耗節省，有必要總結出所有工作模式時的負載特性。FPGA用戶優化代碼，以最大限度地降低功率，而ASIC用戶根據吞吐量需求來調節內核電壓。準確實時的遙測極大地簡化了這種任務。

使用LTC2974，可以根據電壓、電流和溫度狀態寄存器確定系統是否處于正常狀態，同時多路轉換的16位?∑ADC監視輸入和輸出電壓、輸出電流、以及內部和外部二極管溫度。

由于內核電壓越來越低這一趨勢，準確測量負載電流已經變成了一種挑戰，因為使用精確的電流檢測電阻器可能導致不可接受的功率損耗。一種選擇是將電感器的DC電阻(DCR)用作電流分流組件。這么做有幾種優勢，包括零附加功耗、更低的電路復雜性和成本。然而，電感器電阻與溫度有很大的相關性，而且準確測量電感器磁芯的溫度很難，會不可避免地引入電流測量誤差(參見圖4)。