Tony Armstrong

凌力爾特公司   電源產(chǎn)品  產(chǎn)品市場(chǎng)主管

引言

對于任何人來(lái)說(shuō)，數字電源系統管理 (DPSM) 在通信和計算機行業(yè)內的持續采用，在很大程度上繼續由位于其系統架構核心的 20nm 以下 ASIC 和 / 或 FPGA 所需之高電流水平驅動(dòng)都是不足為奇的。我們以下一代數據中心交換機中使用的最新 ASIC 為例來(lái)說(shuō)明；它們?yōu)槟切﹤鬏?100Mbit/s 至 100Gbit/s 以太網(wǎng)和 32Gbit/s 光纖通道流量的端口實(shí)現了一組更加靈活的接口。這使得能夠把較高密度的 100G 端口放入單個(gè)機架單元中。除此之外，這些 20nm 以下工藝還允許把超過(guò) 20Mbyte 的存儲器置于 ASIC 自身之上，從而有可能免除增設外部存儲器的需要，并節省電路板空間及成本。

然而，此類(lèi)通信設備的系統架構設計師正被迫提高其系統的數據吞吐量和性能，也在被迫增加功能和特性。與此同時(shí)，他們也面臨著(zhù)降低系統總體功耗的壓力。例如，一個(gè)典型的挑戰便是通過(guò)重新安排工作流程，將作業(yè)轉移到未充分利用的服務(wù)器上，從而允許其他服務(wù)器關(guān)機，以此降低總體功耗。為了滿(mǎn)足這些需求，知道最終用戶(hù)設備的功耗是至關(guān)重要的。于是，一個(gè)設計得當的數字電源管理系統能為用戶(hù)提供功耗數據，從而允許智能地做出能量管理決策。這是對數據中心的一項關(guān)鍵的要求，這里，負責控制內部環(huán)境溫度之 HVAC 系統的電力成本是很重要的。在現實(shí)中，此類(lèi)成本每個(gè)月可達幾百萬(wàn)美元。

系統挑戰

當數字電源正確使用時(shí)，它能夠降低設備功耗、縮短產(chǎn)品上市時(shí)間、擁有卓越的穩定性和瞬態(tài)響應、并提高整體系統可靠性。

DPSM 一項主要的優(yōu)勢是能夠降低設計成本和加快產(chǎn)品上市進(jìn)程。采用一種具有直觀(guān)圖形界面 (GUI) 的綜合開(kāi)發(fā)環(huán)境，即可以高效地開(kāi)發(fā)復雜的多電壓軌系統。另外，此類(lèi)系統還可利用 GUI 而不是在 “白色導線(xiàn)” 固定點(diǎn)上進(jìn)行焊接來(lái)實(shí)現更改，從而簡(jiǎn)化了在線(xiàn)測試 (ICT) 和電路板調試工作。另一個(gè)益處是，由于有實(shí)時(shí)遙測數據可用，因此可預測電源系統的故障，并采取預防性措施。也許最重要的是，具數字管理功能的 DC/DC 轉換器允許設計師開(kāi)發(fā) “綠色” 電源系統，這種系統可滿(mǎn)足目標性能要求 (計算速度、數據速率等)，而且在負載點(diǎn)、電路板、機架甚至安裝級上的能量消耗極少，從而降低了基礎設施成本和產(chǎn)品整個(gè)壽命期的總擁有成本。

許多電信和數據通信系統通過(guò)一塊 48V 背板供電。一般將該電壓降壓至一個(gè)較低的中間總線(xiàn)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，這些電路板上的大多數子電路或 IC 需要在 1V 以下到 3.3V 的電壓范圍和幾十毫安至幾百安培的電流范圍內工作。因此，為實(shí)現從中間總線(xiàn)電壓至子電路或 IC 所需之期望電壓的降壓，負載點(diǎn) (PoL) DC/DC 轉換器是必要的。這些電源軌對于排序、電壓準確度、裕度調節和監控具有嚴格的要求。

在一個(gè)電信系統中會(huì )有多達 50 個(gè) PoL 電壓軌，而且系統架構設計師需要一種相對于其輸出電壓、排序和最大可容許電流來(lái)管理這些電壓軌的簡(jiǎn)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，另一種情況是某些 ASIC 和 DSP 要求其內核電壓的上升先于其 I/O 電壓。斷電排序也是必要的。設計師需要一種做出變更以?xún)?yōu)化系統性能和為每個(gè) DC/DC 轉換器存儲一種特定配置的簡(jiǎn)易方式，旨在簡(jiǎn)化設計工作。

此外，為避免昂貴的 FPGA、ASIC 和 DSP 遭遇過(guò)壓情況的可能性，高速比較器必須監視每個(gè)電源軌的電壓電平，并在某個(gè)電源軌超出其規定的安全工作限制范圍時(shí)立即采取保護性措施。在數字供電型系統中，當出現某種故障時(shí)可通過(guò) PMBus 警示線(xiàn)路通知主機，并且能夠把相關(guān)的電壓軌關(guān)斷以保護 FPGA 等受電器件。實(shí)現這種保護等級需要合理的準確度和大約幾十微秒的響應時(shí)間。

由于要面對這些挑戰，因此凌力爾特決定開(kāi)發(fā)一個(gè) PSM 產(chǎn)品線(xiàn)，其包括具集成型功率 FET 柵極驅動(dòng)器和豐富齊全之電源管理功能 (通過(guò)基于 I²C 的 PMBus 來(lái)使用) 的同步降壓型 DC/DC 控制器。這些功能包括高精度基準和可提供 ±0.5% DC 準確度的溫度補償型模擬電流模式控制環(huán)路、經(jīng)過(guò)校準以不受工作條件之影響的簡(jiǎn)易型補償、逐周期電流限制、快速和準確的均流、以及針對線(xiàn)路電壓和負載瞬變的響應，并不存在任何與 ADC 量化相關(guān)聯(lián)的誤差，此類(lèi)誤差是采用 “數字” 控制之產(chǎn)品中所常見(jiàn)的。該產(chǎn)品線(xiàn)的某些產(chǎn)品還內置了可提供輸入和輸出電壓及電流、占空比和溫度之數字回讀的 16 位數據采集系統。另外，還整合了通過(guò)一個(gè)中斷標記及一個(gè) “黑匣子” 記錄器 (其負責存儲發(fā)生某種故障之前的轉換器工作狀況) 實(shí)現的故障記錄功能。最后，多電源軌系統的開(kāi)發(fā)工作借助凌力爾特的 LTpowerPlay^® 開(kāi)發(fā)軟件和 GUI 界面得到了簡(jiǎn)化。

針對復雜問(wèn)題的簡(jiǎn)單解決方案

那么，為給其最終產(chǎn)品配置一款數字電源系統管理解決方案，系統架構設計師必須做些什么呢? 主要目標之一將是設計一個(gè)系統，以便能夠通過(guò)一根數字通信總線(xiàn)容易地對其實(shí)施配置和監視。這將通過(guò)使用下面三者之一來(lái)實(shí)現：I²C、SMBus 或 PMBus。這些總線(xiàn)的任一種都能啟用按需遙測能力以設定、監視、變更和記錄系統內任何 PoL 轉換器配置的電源參數。這樣一個(gè)系統的簡(jiǎn)化瞬像示于圖 1。

圖 1：典型數字電源系統管理系統配置

在該例中可見(jiàn)，PoL 轉換器示出了 3 種不同的拓撲配置。在該圖的上部，一個(gè)電源系統管理器芯片與一個(gè)傳統的 DC/DC 轉換器一起使用。DC/DC 轉換器可以是任何拓撲并具有任何集成度，因為電源系統管理器將允許利用通信總線(xiàn)對其進(jìn)行接口、控制和監視。位于該圖中部的 PoL 轉換器顯示了一種增加的集成度，即：DC/DC 轉換器內置了電源系統管理功能電路 (在同一個(gè)封裝中)。最后，該圖中最下面的那個(gè) PoL 轉換器是一款緊湊型模塊，它把電源系統管理器、DC/DC 轉換器以及所有其關(guān)聯(lián)的外部組件整合成單個(gè) IC (凌力爾特把它們稱(chēng)為µModule^® 穩壓器)。

凌力爾特的µModule DC/DC 穩壓器可提供一種同時(shí)提供高功率輸出和 DPSM 功能的簡(jiǎn)單和有效之方法。由于可容易地通過(guò)并聯(lián)多個(gè) µModule 穩壓器以提供高電流輸出 (各個(gè)通道彼此之間的電流匹配準確度標稱(chēng)值在 1% 以?xún)?，從而降低了產(chǎn)生熱點(diǎn)的可能性。而且，只有其中一個(gè) µModule 穩壓器必需具備 DPSM 能力，原因是即使并聯(lián)的 µModule 未內置固有的 DPSM，它也能提供完整的數字接口。圖 2 示出了一個(gè) LTM4677 (36A DPSM µModule) 與 3 個(gè) LTM4650 (50A µModule) 相并聯(lián)的應用電路原理圖。

圖 2：一個(gè) LTM4677 DPSM 模塊與三個(gè) LTM4650 模塊的組合可從一個(gè)標稱(chēng) 12V 輸入提供 186A 和 1V 輸出

用于 DPSM 產(chǎn)品的 LTpowerPlay 通用型 GUI

采用 DPSM 產(chǎn)品構建之系統的一個(gè)主要優(yōu)勢在于：借助合適的 GUI 可以容易地與系統內部的每個(gè)個(gè)別 PoL 轉換器進(jìn)行通信。因此，從一開(kāi)始凌力爾特就決定開(kāi)發(fā)一款作為完整開(kāi)發(fā)平臺的 GUI，該 GUI 可容易地與凌力爾特在其 DPSM 產(chǎn)品庫中提供的所有不同類(lèi)型產(chǎn)品一起使用，即基于 LTpowerPlay 窗口的開(kāi)發(fā)環(huán)境。該軟件不僅使得能夠容易地同時(shí)控制和監視多個(gè)支持 PMBus 的凌力爾特器件，而且還允許通過(guò)把系統參數下載到個(gè)別器件的內部 EEPROM 實(shí)時(shí)地完成 DC/DC 轉換器配置的更改。這通過(guò)允許利用軟件來(lái)調整系統配置 (而不是求助于用焊烙鐵換出組件并重新進(jìn)行電路板布線(xiàn)的費時(shí)傳統！) 縮短了設計開(kāi)發(fā)時(shí)間。但事情還不止于此，一旦在現場(chǎng)部署了某個(gè)終端系統 (例如：數據中心)，則監管員通過(guò)一個(gè)采用該 GUI 的適用接口簡(jiǎn)單地更新 PoL 轉換器的工作參數可實(shí)時(shí)地調整系統。圖 3 示出了用戶(hù)詢(xún)問(wèn)其系統時(shí)將會(huì )看到凌力爾特 LTpowerPlay 功能控制頁(yè)的典型屏幕截圖。

凌力爾特所有的 PMBus 產(chǎn)品均由該軟件開(kāi)發(fā)系統提供支持，它能夠在初始開(kāi)發(fā)階段及隨后在用戶(hù)現場(chǎng)實(shí)施安裝時(shí)幫助設計人員快速完成系統的調試。其可簡(jiǎn)便快捷地實(shí)現電源電壓、限值和排序的監視、控制和調整。而且，采用幾個(gè)標準的 PMBus 命令還可以容易地完成生產(chǎn)裕度測試。

圖 3：LTpowerPlay GUI 之典型功能控制頁(yè)屏幕截圖的瞬像

結論

在當今的數據通信和電信系統中具備 DPSM 功能可為系統架構設計師提供一種簡(jiǎn)單和強而有力的方法，僅使用 4 個(gè) µModule 穩壓器就能為最新的 20nm 以下 ASIC 和 FPGA 之 1.xV 內核電壓提供 180W 以上的功率。如圖 2 所示，通過(guò)以一種多相配置組合使用 LTM4677 和 3 個(gè) LTM4650，不僅節省了昂貴的 PCB 面積資源，還由于其整體工作效率之高而減少了所需的冷卻量。此外，DPSM 的軟件可編程性還顯著(zhù)地縮短了通常與這種努力相關(guān)聯(lián)的調試時(shí)間。這降低了基礎設施成本和產(chǎn)品整個(gè)壽命期的總擁有成本。雖然這沒(méi)有調試硬件系統時(shí)采用電烙鐵重新布線(xiàn)之傳統方法的那些樂(lè )趣，但是其方便而且節省時(shí)間的特性非常引人注目而不容忽視。