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雙輸出DC/DC控制器結(jié)合了數(shù)字電源系統(tǒng)管理和模擬控制環(huán)路以實(shí)現(xiàn) ±0.5%的VOUT準(zhǔn)確度

作者: 時間:2017-06-03 來源:網(wǎng)絡(luò) 收藏

本文引用地址:http://butianyuan.cn/article/201706/347090.htm

盡管對新式電子系統(tǒng)的可靠運(yùn)行至關(guān)重要,但是在今天以數(shù)字方式管理的系統(tǒng)中,穩(wěn)壓器也許是最后一個仍然存在的“盲點(diǎn)”。就穩(wěn)壓器而言,很少有辦法直接配置或監(jiān)視關(guān)鍵電源系統(tǒng)運(yùn)行參數(shù)。因此,希望全面實(shí)現(xiàn)數(shù)字控制的電源設(shè)計(jì)師必須使用混雜在一起的排序器、微控制器和電壓監(jiān)察器,以設(shè)定基本的穩(wěn)壓器啟動和安全功能。目前已有數(shù)字可編程 DC/DC 轉(zhuǎn)換器可用,特別是那些為 VRM 內(nèi)核電源而設(shè)計(jì)并具備 VID 輸出電壓控制功能的轉(zhuǎn)換器,但是這類有特定應(yīng)用目標(biāo)的轉(zhuǎn)換器不能直接溝通重要的工作參數(shù),例如實(shí)時電流。

/ -1 結(jié)合了雙輸出和擁有通過基于 I2C 的 總線使用全面的功能,這解決了復(fù)雜的電源系統(tǒng)管理問題。 可用來設(shè)定輸出電壓、電壓裕度、開關(guān)頻率、排序以及若干其他工作參數(shù) (參見下面“控制”部分)。

立即下載 / LTC3880-1數(shù)據(jù)手冊:LTC3880_datasheet.pdf

1:采用外部功率 MOSFET 的雙輸出穩(wěn)壓器

LTC3880 還允許通過 16 位數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)監(jiān)視電源,這種方法可提供輸入和輸出電壓及電流、占空比以及溫度的數(shù)字回讀,其中包括重要參數(shù)的峰值。LTC3880 還包括通過中斷標(biāo)志和非易失性存儲器實(shí)現(xiàn)廣泛的故障記錄功能,非易失性存儲器是一種“黑匣子”記錄器,存儲了在故障發(fā)生之前瞬間轉(zhuǎn)換器的工作狀態(tài)。

數(shù)字電源系統(tǒng)管理的一個主要好處是降低了設(shè)計(jì)費(fèi)用,并加速了產(chǎn)品上市。LTC3880 / LTC3880-1 憑借免費(fèi)提供和可下載的 開發(fā)軟件,極大地簡化了復(fù)雜的多軌系統(tǒng)設(shè)計(jì),該開發(fā)軟件是一種基于 PC 的全面開發(fā)環(huán)境 (參見圖 6)。在該環(huán)境中,在線測試 (ICT) 和電路板調(diào)試僅需要點(diǎn)擊幾下鼠標(biāo)就可完成,而無需焊接到“白色導(dǎo)線”定位點(diǎn)中。由于可以使用實(shí)時遙測數(shù)據(jù),所以可以立即得到設(shè)計(jì)結(jié)果,從而有可能預(yù)測電源系統(tǒng)故障,并立即采取預(yù)防性措施。

也許最重要的是,具備數(shù)字管理功能的 DC/DC 轉(zhuǎn)換器允許設(shè)計(jì)師開發(fā)“綠色”電源系統(tǒng),這類系統(tǒng)優(yōu)化了能源利用率,同時滿足系統(tǒng)性能目標(biāo) (計(jì)算速度、數(shù)據(jù)傳輸速率等等)。優(yōu)化可以在負(fù)載點(diǎn)、電路板和機(jī)架上進(jìn)行,甚至可以在安裝階段進(jìn)行,從而降低了基礎(chǔ)設(shè)施成本和產(chǎn)品整個壽命期內(nèi)的總體擁有成本。

為了提供最佳性能調(diào)節(jié),LTC3880 堅(jiān)持采用精確的基準(zhǔn)和溫度補(bǔ)償模擬電流模式控制環(huán)路,以產(chǎn)生嚴(yán)格的 ±0.5% DC 輸出電壓準(zhǔn)確度。該模擬控制環(huán)路促成了非常容易的補(bǔ)償,環(huán)路經(jīng)過了校準(zhǔn),以不受工作條件的影響,該環(huán)路還可實(shí)現(xiàn)逐周期限流,并產(chǎn)生快速和準(zhǔn)確的電壓及負(fù)載瞬態(tài)響應(yīng),在運(yùn)用數(shù)字控制的產(chǎn)品中沒有見到與 ADC 量化有關(guān)的誤差。

LTC3880 具備內(nèi)置的穩(wěn)壓器以提高集成度,而 LTC3880-1 允許使用外部偏置電壓以實(shí)現(xiàn)最高效率。這兩款器件都采用耐熱增強(qiáng)型 6mm x 6mm QFN-40 封裝,工作節(jié)溫范圍為 -40°C 至 105°C (E 級版本) 或 -40°C 至 125°C (I 級版本)。

模擬控制環(huán)路確保同類最佳的穩(wěn)壓器性能

LTC3880 / LTC3880-1 是數(shù)字可編程以實(shí)現(xiàn)無數(shù)功能,這包括輸出電壓和電流限制設(shè)定點(diǎn)以及排序。控制環(huán)路盡管是純模擬的,但提供了最佳環(huán)路穩(wěn)定性和瞬態(tài)響應(yīng),而不會產(chǎn)生數(shù)字控制環(huán)路的量化效應(yīng)。圖 2 比較了具備模擬反饋控制環(huán)路的控制器 IC 與具備數(shù)字反饋控制環(huán)路的控制器 IC 之斜坡曲線。模擬環(huán)路有平滑的斜坡,而數(shù)字環(huán)路有離散的步進(jìn),由于量化效應(yīng),這可能導(dǎo)致穩(wěn)定性問題、較慢的瞬態(tài)響應(yīng)、在某些應(yīng)用中需要更大的輸出電容以及在 PWM 控制信號上有更大的輸出紋波和抖動。

2LTC3880 的模擬控制環(huán)路與數(shù)字控制環(huán)路的比較

ANALOG CONTROL LOOP:模擬控制環(huán)路

ANALOG CURRENT WAVEFORM:模擬電流波形

FIXED:固定的

DIGITAL CONTROL LOOP:數(shù)字控制環(huán)路

DIGITAL RAMP:數(shù)字斜坡

實(shí)際上,與具備數(shù)字控制環(huán)路的可比較 IC 相比,LTC3880 的模擬控制環(huán)路需要使用的輸出電容小 50% 且具有更好的穩(wěn)定性和更短的穩(wěn)定時間。此外,由于存在 ADC 分辨率有限引起的量化效應(yīng),所以數(shù)字控制的瞬態(tài)響應(yīng)在穩(wěn)定之前有震蕩。圖 3 比較了 LTC3880 的模擬控制環(huán)路與同類 IC 的數(shù)字控制環(huán)路的瞬態(tài)響應(yīng)。請注意,LTC3880 使用約等于數(shù)字控制器一半的輸出電容,但產(chǎn)生了更干凈的結(jié)果。

3:在 15A 瞬態(tài)負(fù)載步進(jìn)情況下,模擬和數(shù)字控制環(huán)路響應(yīng)的比較。模擬控制環(huán)路需要的輸出電容僅為數(shù)字環(huán)路的一半,同時實(shí)現(xiàn)了卓越得多的穩(wěn)定時間

ANALOG CONTROL LOOP:模擬控制環(huán)路

100mV/DIV:每格 100mV

AC-COUPLED:AC 耦合

15A LOAD STEP:15A 負(fù)載步進(jìn)

DIGITAL CONTROL LOOP:數(shù)字控制環(huán)路

LTC3880 設(shè)計(jì)為,當(dāng)修改其配置文件時,環(huán)路增益不變。當(dāng)修改輸出電壓或電流限制時,瞬態(tài)響應(yīng)不受影響,而且補(bǔ)償環(huán)路無需要調(diào)節(jié)。

PMBus 控制

LTC3880 / LTC3880-1 具備數(shù)字設(shè)定和回讀,以實(shí)時控制和監(jiān)視關(guān)鍵負(fù)載點(diǎn)轉(zhuǎn)換器的功能。配置可通過 I2C 串行接口下載至內(nèi)部 EEPROM,基于 PC 的 開發(fā)軟件支持該接口。圖 4 顯示了具備 USB 至 I2C / SMBus / PMBus 適配器連接的 開發(fā)平臺。配置文件存儲在內(nèi)置的非易失性存儲器中以后,控制器自主加電,而不會增加主機(jī)負(fù)擔(dān)。配置電路板是一項(xiàng)簡單的任務(wù),完全不需要開發(fā)固件。

4:用 LTpowerPlay 軟件建立完整的開發(fā)平臺非常容易

USB to PMBus Controller:USB 至 PMBus 控制器

Demo Board:演示電路板

Socketed Programming Board:有插座的設(shè)置電路板

Customer Board with LTC3880/LTC3880-1:采用 LTC3880 / LTC3880-1 的客戶電路板

Demonstration Kit:演示套件

Or:或

Socketed Programming:通過插座設(shè)置

In-circuit Serial Programming:在線串行設(shè)置

PMBus 功能包括可設(shè)置特定的參數(shù),包括:

  • 輸出電壓和電壓裕度
  • 基于電感器溫度的溫度補(bǔ)償電流限制門限
  • 開關(guān)頻率
  • 過壓和欠壓高速監(jiān)察器門限
  • 輸出電壓接通 / 斷開時間延遲
  • 輸出電壓上升 / 下降時間
  • 輸入電壓接通 / 斷開門限
  • 輸出軌接通 / 斷開
  • 輸出電壓軌高裕度/低裕度
  • 響應(yīng)內(nèi)部 / 外部故障
  • 故障傳播

此外,PMBus 功能允許監(jiān)視電源的運(yùn)行,包括:

  • 輸出 / 輸入電壓
  • 輸出 / 輸入電流
  • 內(nèi)部芯片溫度
  • 外部電感器溫度
  • 器件狀態(tài)
  • 故障狀態(tài)
  • 系統(tǒng)狀態(tài)
  • 峰值輸出電流
  • 峰值輸出電壓
  • 峰值內(nèi)部 / 外部溫度
  • 故障記錄狀態(tài)

組成一個多軌系統(tǒng)

大型多軌電源電路板一般由一個隔離式中間總線轉(zhuǎn)換器組成,將來自背板的 48V、24V 或其他相對較高的電壓轉(zhuǎn)換成較低的中間總線電壓 (IBV),一般為 12V,該中間總線電壓被分配到 PC 板卡各處。

單獨(dú)的負(fù)載點(diǎn) (POL) DC-DC 轉(zhuǎn)換器將 IBV 降至所需的軌電壓,軌電壓通常在 0.5V 至 5V 范圍,同時輸出電流范圍為 0.5A 至 120A。圖 5 顯示,怎樣用各種不同的控制器和 DC/DC 轉(zhuǎn)換器 PMBus 器件控制一個多軌系統(tǒng)。負(fù)載點(diǎn) DC/DC 轉(zhuǎn)換器可以是自含式模塊、單片器件,或者由 DC/DC 控制器 IC 以及有關(guān)的電感器、電容器和 MOSFET 組成解決方案。這些軌通常對排序、電壓準(zhǔn)確度、過流和過壓限制、裕度調(diào)節(jié)以及監(jiān)察有嚴(yán)格的要求。

5:用來控制 15 個或更多軌的 LTpowerPlay PMBus

SYSTEM HOST PROCESSOR WITH LTpowerPlay:采用 LTpowerPlay 的系統(tǒng)主處理器

TO OTHER LTC3880s, LTC2974s AND LTC2978s:至其他 LTC3880、LTC2974 和 LTC2978

RAIL 1:軌 1

電源管理的復(fù)雜性越來越高。具有超過 30 個軌的電路板并非不常見。這類電路板上組件排列已經(jīng)相當(dāng)密集,因此所增加的數(shù)字電源系統(tǒng)管理電路必須占用最少的電路板空間和外部引腳。該系統(tǒng)必須非常容易由用戶或系統(tǒng)主處理器進(jìn)行修改。LTC3880 可與其他 PMBus 監(jiān)察器、伴隨 IC 以及凌力爾特穩(wěn)壓器無縫配合,以實(shí)現(xiàn)復(fù)雜電路板的最佳控制。這些系統(tǒng)在初始配置完成后自主工作,或與主處理器通信,以獲取命令、實(shí)現(xiàn)控制并報(bào)告遙測數(shù)據(jù)。

凌力爾特 PMBus 控制器 (例如: LTC3880) 以及伴隨 IC (例如: LTC2978) 使得為任何數(shù)量的電源設(shè)定加電和斷電排序都非常容易。利用基于時間的算法,用戶能以任何順序和簡單的可編程延遲動態(tài)地對軌的接通和斷開排序。利用單線 SHARE_CLK 總線以及一個或多個雙向通用 IO (/GPIO) 引腳,也可以跨多個芯片排序。這極大地簡化了系統(tǒng)設(shè)計(jì),因?yàn)槎鄠€軌能以任何順序排序。還可以在以后增加額外的 PMBus 芯片,而不必?fù)?dān)心系統(tǒng)限制,例如連接器引腳數(shù)量有限等。PMBus 支持多個地址,從而在同一條 I2C 總線上允許連接超過 100 個獨(dú)特的器件。

軌接通的排序可以由響應(yīng)各種條件而觸發(fā)。例如,當(dāng)中間總線電壓超過所設(shè)定的門限 (VIN(ON)) 時,LTC3880 和 LTC2978 可以自動排序?;蛘撸壗油ㄅ判蚩梢杂身憫?yīng) RUN / CONTROL 引腳的上升沿而啟動。軌接通排序還可以由 PMBus 命令啟動。

凌力爾特 PMBus 伴隨 IC 的故障引腳可以共享 LTC3880 上的 /GPIO 引腳,以控制軌之間的故障響應(yīng)相關(guān)性。例如,可以對系統(tǒng)進(jìn)行配置,以使一個軌上的故障可以啟動任何數(shù)量軌的停機(jī)。如果將故障響應(yīng)配置為“立即斷開、不進(jìn)行重試”,而且發(fā)生了一個故障,那么主處理器就必須采取行動,以使這些軌重啟?;蛘?,如果故障響應(yīng)被設(shè)定為“立即斷開、無限重試”,而且發(fā)生了一個故障,那么斷開的軌就嘗試以用戶可編程的延遲和打嗝模式自主加電。故障響應(yīng)還可以設(shè)定為“忽略不計(jì)”,在這種情況下響應(yīng)故障時,/ALERT 引腳被拉低,以提醒主處理器出現(xiàn)了問題,但是電源繼續(xù)給負(fù)載供電。/GPIO 引腳還可以配置為電源良好狀態(tài)引腳,或配置為快速 UV 比較器輸出,以實(shí)現(xiàn)基于事件的排序。

LTpowerPlay 開發(fā)系統(tǒng)

基于 PC 的 LTpowerPlay 軟件開發(fā)系統(tǒng)全面支持 LTC3880 的控制功能,這允許設(shè)計(jì)師實(shí)時修改所有凌力爾特 PMBus 產(chǎn)品的配置值,而無需手動給電路板更換連接線。圖 6 顯示了工作中的 LTpowerPlay,它控制了多個器件的多種功能,例如輸出電壓、保護(hù)限制和接通 / 斷開斜坡。其中還顯示了一些波形,包括多個軌的排序和遙測圖。引起問題的軌用紅色顯示,任何受到影響的軌都用黃色表示,以此指示故障情況。

6:復(fù)雜的多軌電源系統(tǒng)得到了簡化。LTpowerPlay 使你能隨時實(shí)現(xiàn)全面的電源控制

LTpowerPlay 是免費(fèi)提供的,可從網(wǎng)址 www.linear.com.cn/ltpowerplay 下載。LTpowerPlay 可與凌力爾特其他控制器和伴隨 IC 配合使用,能快速和容易地配置多軌電源系統(tǒng)。

結(jié)論

LTC3880 / LTC3880-1 結(jié)合了同類最佳的模擬開關(guān)穩(wěn)壓器、精確的數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換和靈活的數(shù)字接口,可實(shí)現(xiàn)無與倫比的高性能。多個 LTC3880 可以與凌力爾特其他產(chǎn)品一起使用,以組成優(yōu)化的多軌數(shù)字電源系統(tǒng)。易于使用的 LTpowerPlay 軟件開發(fā)系統(tǒng)支持所有凌力爾特的 PMBus 產(chǎn)品。

對模擬電源的數(shù)字控制使設(shè)計(jì)師能讓系統(tǒng)快速進(jìn)入正常工作狀態(tài),為監(jiān)視、控制和調(diào)節(jié)電源電壓、限制和排序提供了一條非常容易的途徑。使用幾條標(biāo)準(zhǔn) PMBus 命令,就可以非常容易地進(jìn)行生產(chǎn)裕度測試。調(diào)試也得到了簡化,因?yàn)榭梢酝ㄟ^該總線傳遞軌狀態(tài)信息。

電源系統(tǒng)數(shù)據(jù)可以發(fā)送回 OEM,以提供有關(guān)電源是否正常以及能耗的信息。如果電路板被返回,那么可以讀出故障記錄,以確定發(fā)生了什么故障、電路板溫度和故障時間以及導(dǎo)致該故障的歷史數(shù)據(jù)。這些數(shù)據(jù)可用來快速確定故障的根本原因,系統(tǒng)是否工作在規(guī)定的工作限制之外,或用來改善未來產(chǎn)品的設(shè)計(jì)。功耗數(shù)據(jù)可用來實(shí)時降低總體功耗。

客戶需要越來越復(fù)雜的電路板,在這一需求的驅(qū)動下,數(shù)字電源成為一個快速增長的領(lǐng)域。LTC3880 和凌力爾特其他 PMBus 產(chǎn)品一起使用,可為高性能電源提供靈活的數(shù)字控制。電路板設(shè)計(jì)師現(xiàn)在擁有了簡化流程、快速為市場提供同類最佳性能的工具。

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