適用于所有場(chǎng)合的數(shù)字電源系統(tǒng)管理

　　這些更小的線寬使一些數(shù)字功能得以實(shí)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(gè)芯片上實(shí)現(xiàn)了。線寬減小的一個(gè)附帶好處是，使用典型的小型數(shù)字工藝制造 IC 時(shí)，可以將 DMOS 晶體管包括進(jìn)來。這些 DMOS 器件可以應(yīng)對(duì)高壓和大電流，允許在同一個(gè)器件上全面集成電源轉(zhuǎn)換器、開關(guān)穩(wěn)壓器以及電源和控制功能。

　　雙極型電路的技術(shù)進(jìn)步逐步導(dǎo)致產(chǎn)生更好的基準(zhǔn)、放大器和 RF IC。這些進(jìn)步是由電路系統(tǒng)的精細(xì)化和優(yōu)化、而不是由任何類型的工藝技術(shù)突破導(dǎo)致的。模擬 IC 競(jìng)爭(zhēng)格局使所有制造商都常備不懈地努力改進(jìn)產(chǎn)品。不過，應(yīng)該提到的一點(diǎn)是，既然模擬 IC 性能是基于真實(shí)世界參數(shù)，那么這些 IC 最終就有可能達(dá)到理論上的性能極限。一旦接近理論上的性能極限，進(jìn)一步改進(jìn)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(shè)計(jì)的，而且在此期間沒有任何改變。

2 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(shè)計(jì)師必須做哪些事情? 一個(gè)主要目標(biāo)將是，設(shè)計(jì)一個(gè)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(yùn)用以下各種總線之一實(shí)現(xiàn)：I2C、SMBus 或 PMBus。這些總線中的任何一種都能夠?qū)崿F(xiàn)按需遙測(cè)功能，以設(shè)定、監(jiān)視、更改和記錄系統(tǒng)內(nèi)任何 PoL 轉(zhuǎn)換器配置的電源參數(shù)。圖1所示是對(duì)這種系統(tǒng)的簡(jiǎn)要說明。

　　正如在這個(gè)例子中可以看到的那樣，這些 PoL 轉(zhuǎn)換器采用了 3 種不同拓?fù)渑渲谩D1中最上面的轉(zhuǎn)換器采用了一個(gè)電源系統(tǒng)管理器芯片和一個(gè)傳統(tǒng) DC/DC 轉(zhuǎn)換器。該 DC/DC 轉(zhuǎn)換器可以采用任何類型的拓?fù)浜腿魏纬潭鹊募?，因?yàn)檫@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(zhuǎn)換器。中間的 PoL 轉(zhuǎn)換器集成度更高，也就是說，DC/DC 轉(zhuǎn)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(zhuǎn)換器是一個(gè)緊湊型模塊，在一個(gè)外殼中納入了電源系統(tǒng)管理器、DC/DC 轉(zhuǎn)換器以及所有相關(guān)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(shè)計(jì)師能夠選擇怎樣用系統(tǒng)管理器以及與其相關(guān)的 PoL DC/DC 轉(zhuǎn)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(cè)應(yīng)用。

　　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(gòu)，其獨(dú)特的電路提高了電流檢測(cè)信號(hào)的信噪比，從而在超低 DCR 應(yīng)用中提供了卓越的性能。可編程環(huán)路補(bǔ)償使該控制器能夠以數(shù)字方式補(bǔ)償。開關(guān)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(shè)定。此外，可以通過數(shù)字接口設(shè)定參數(shù)，或者將參數(shù)存儲(chǔ)在 EEPROM 中。兩路輸出都有獨(dú)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(xì)地介紹) 支持該器件。

　　有些應(yīng)用可能需要 PoL 轉(zhuǎn)換器有更高的集成度，尤其是輸出電流不是很高的應(yīng)用，例如在 4A 至 6A 范圍。針對(duì)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(zhuǎn)換器，參見圖 3。這款 PoL 轉(zhuǎn)換器采用一個(gè)可鎖相控制接通時(shí)間的恒定頻率、電流模式架構(gòu)以提供極快的瞬態(tài)響應(yīng)，并允許在所要求非常短的接通時(shí)間工作，以在高開關(guān)頻率調(diào)節(jié)低輸出電壓。輸出電壓可用單個(gè)外部電阻設(shè)定在 0.4V 至 75% 的輸入電壓范圍，或者用外部電壓基準(zhǔn)通過基準(zhǔn)輸入引腳來設(shè)定?？梢酝ㄟ^標(biāo)準(zhǔn) PMBus 接口以小至 0.1% 的增量對(duì)輸出進(jìn)行上升或下降 25% 的裕度調(diào)節(jié)。

　　LTC3815 的工作頻率可用一個(gè)外部電阻器編程在 400kHz 至 4MHz 范圍，或者針對(duì)開關(guān)噪聲敏感應(yīng)用而言，可同步至一個(gè)相同范圍的外部時(shí)鐘。最后，其串行接口還可以用來回讀故障狀態(tài)以及時(shí)間平均 (~4ms) 及峰值輸入 / 輸出電流、輸入 / 輸出電壓和溫度。

3 面向DPSM產(chǎn)品的 LTpowerPlay 通用 GUI

　　用 DPSM 產(chǎn)品設(shè)計(jì)的系統(tǒng)有一個(gè)關(guān)鍵優(yōu)勢(shì)，即憑借合適的 GUI 能夠非常容易地與系統(tǒng)內(nèi)每個(gè)單獨(dú)的 PoL 轉(zhuǎn)換器通信。因此，從一開始，凌力爾特公司就決定開發(fā)一個(gè)能夠作為完整開發(fā)平臺(tái)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(gè)軟件不僅使同時(shí)控制和監(jiān)視多個(gè) PMBus 支持的凌力爾特器件非常容易，而且還允許實(shí)時(shí)修改 DC/DC 轉(zhuǎn)換器配置，以及向每個(gè)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(shí)間考驗(yàn)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(shè)計(jì)開發(fā)時(shí)間。不過，優(yōu)點(diǎn)并未到此為止。最終系統(tǒng)在諸如數(shù)據(jù)中心等現(xiàn)場(chǎng)中部署完畢后，負(fù)責(zé)人可以利用這個(gè) GUI，通過合適的接口，簡(jiǎn)便地更新 PoL 轉(zhuǎn)換器的工作參數(shù)，完成對(duì)系統(tǒng)的實(shí)時(shí)調(diào)節(jié)。圖 4 顯示了凌力爾特 LTpowerPlay 狀態(tài)顯示板的一個(gè)典型屏幕截圖，當(dāng)用戶查詢系統(tǒng)時(shí)，會(huì)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(shè)計(jì)師在系統(tǒng)最初開發(fā)以及之后安裝在用戶處時(shí)快速調(diào)試系統(tǒng)。該開發(fā)系統(tǒng)允許快速和簡(jiǎn)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(jiǎn)便地實(shí)現(xiàn)電源排序。此外，生產(chǎn)裕度測(cè)試也可以簡(jiǎn)便地用幾條標(biāo)準(zhǔn) PMBus 命令執(zhí)行。

4 結(jié)論

　　數(shù)據(jù)通信、電信或存儲(chǔ)系統(tǒng)如果擁有數(shù)字電源管理功能，就可為系統(tǒng)設(shè)計(jì)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(fù)載點(diǎn)、電路板、機(jī)架級(jí)甚至安裝后以最低能耗滿足目標(biāo)性能要求 (計(jì)算速率、數(shù)據(jù)傳輸速率等)。這就降低了基礎(chǔ)設(shè)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(huì)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(guān)的調(diào)試時(shí)間。