今天的網(wǎng)絡(luò )設備設計師面臨著(zhù)開(kāi)發(fā)時(shí)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(lái)越多的網(wǎng)絡(luò )系統功能需要增加 ASIC 和處理器，而每個(gè) 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(xiàn)路卡。電壓軌如此之多帶來(lái)的挑戰是，優(yōu)化硬件利用率，以最大限度地降低總體功耗。
 
為了滿(mǎn)足這種需求，數字電源管理作為復雜的高可靠性應用之關(guān)鍵組件正在快速出現。數字電源管理允許通過(guò)基于PC的軟件工具，高效率地對復雜的多軌系統進(jìn)行調試，從而可避免耗費大量時(shí)間更改硬件。相比于傳統的硬件 ECN 方法，基于軟件的線(xiàn)路內測試 (ICT) 以及電路板開(kāi)發(fā)與運行狀況檢驗工作大為簡(jiǎn)化，這是因為固件變更可在 PC 上完成，而無(wú)需接觸電路板。數字電源管理為設計師提供了實(shí)時(shí)遙測數據和故障記錄，從而能實(shí)現電源系統故障的快速診斷，并迅速采取糾正行動(dòng)。
 
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(kāi)發(fā)“綠色”電源系統，這類(lèi)電源系統在滿(mǎn)足系統性能目標 (計算速度、數據傳輸速率等等) 的同時(shí)，還能優(yōu)化能源利用率。優(yōu)化可以在負載點(diǎn)、電路板和機架上，甚至在安裝階段進(jìn)行，從而同時(shí)降低了基礎設施成本和產(chǎn)品在整個(gè)壽命期內的總體擁有成本。
 
本文探討了在網(wǎng)絡(luò )交換機和路由器、基站和服務(wù)器、以及工業(yè)和醫療設備中，怎樣通過(guò)使用 LTC2974 四通道數字電源管理 IC 來(lái)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(gè)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(mén)狗定時(shí)器中斷信號
DC/DC CONVERTER：DC/DC 轉換器
* SOME DETIALS OMITTED FOR CLARITY：* 為清晰起見(jiàn)，省略了一些細節
ONLY ONE OF FOUR CHANNELS SHOWN：僅顯示了 4 個(gè)通道之中的 1 個(gè)
**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(jiǎn)化了任何數量電源的排序。通過(guò)使用一種基于時(shí)間的算法，用戶(hù)能以任何順序、動(dòng)態(tài)地為電源的接通和斷開(kāi)排序。利用單線(xiàn)共享時(shí)鐘總線(xiàn)以及一個(gè)或多個(gè)雙向故障引腳也可以跨多個(gè) LTC2974 排序 (參見(jiàn)圖 2)。這種方法極大地簡(jiǎn)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(gè) LTC2974 提供控制。任何時(shí)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(wú)縫地級聯(lián)多個(gè) 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(jìn)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(fā)。例如，當下游 DC/DC POL 轉換器的中間總線(xiàn)電壓超過(guò)特定接通電壓時(shí)，LTC2974 就可以自動(dòng)排序�；蛘�，接通排序可以由控制引腳輸入的上升或下降沿啟動(dòng)。該器件還可提供響應故障情況的立即斷開(kāi)或斷開(kāi)排序。排序還可以由簡(jiǎn)單的 I2C 命令啟動(dòng)。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(lái)建立通道之間故障響應的相關(guān)性。例如，如果發(fā)生短路，那么一個(gè)或多個(gè)通道的接通排序可以終止。電壓和電流監察器的限制門(mén)限和響應時(shí)間的過(guò)大和過(guò)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(gè)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(gè)超過(guò)了它們的過(guò)大或過(guò)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(mén)狗定時(shí)器來(lái)監視外部微控制器。有兩種超時(shí)時(shí)間間隔可用：第一次看門(mén)狗時(shí)間間隔和接續時(shí)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(cháng)的超時(shí)時(shí)間間隔。LTC2974 可以配置為，如果發(fā)生看門(mén)狗故障，就使微控制器在預先確定的時(shí)間長(cháng)度內處于復位狀態(tài)，之后重新確定電源良好輸出。
利用準確的電壓監視來(lái)改善制造良率
 
隨著(zhù)電壓降至低于 1.8V，很多現成有售的模塊在隨溫度變化滿(mǎn)足輸出電壓準確度的要求方面都會(huì )遇到麻煩�，F在，低于 ±10mV 的絕對準確度要求是常見(jiàn)的，從而必須在制造過(guò)程中微調輸出電壓，這是一個(gè)耗費大量時(shí)間的過(guò)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(wèn)題有一種好得多的辦法，即接受電源模塊不準確這個(gè)現實(shí)，使系統能在現場(chǎng)自我微調。LTC2974 的數字伺服環(huán)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(jiàn)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(huán)路避開(kāi)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(gè)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(huán)路10 位 DAC 在為 Shmoo 繪圖等應用保持高分辨率的同時(shí)，還允許用戶(hù)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(guò) I2C 接口控制的，而且裕度調節 DAC 的輸出連接到反饋節點(diǎn)，或通過(guò)一個(gè)電阻器微調 DC/DC 轉換器的輸入。這個(gè)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(shí)現所希望的功耗節省，有必要總結出所有工作模式時(shí)的負載特性。FPGA 用戶(hù)優(yōu)化代碼，以最大限度地降低功率，而 ASIC 用戶(hù)根據吞吐量需求來(lái)調節內核電壓。準確實(shí)時(shí)的遙測極大地簡(jiǎn)化了這種任務(wù)。
 
使用 LTC2974，可以根據電壓、電流和溫度狀態(tài)寄存器確定系統是否處于正常狀態(tài)，同時(shí)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(lái)越低這一趨勢，準確測量負載電流已經(jīng)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(yōu)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(guān)性，而且準確測量電感器磁芯的溫度很難，會(huì )不可避免地引入電流測量誤差 (參見(jiàn)圖 4)。
 

圖 4：一款 DC/DC 轉換器的熱像顯示了實(shí)際電感器溫度和溫度監測點(diǎn)之間的差別
 
LTC2974 憑借正在申請專(zhuān)利的溫度補償算法，使準確的 DCR 檢測成為可能，該算法補償從檢測二極管到電感器磁芯的溫度變化率，以及在電感器電流變化和溫度變化之間出現的時(shí)差 (參見(jiàn)圖 5)。這個(gè)功能與 LTC2974 的低噪聲 16 位 ∆∑ ADC 相結合，可利用 DCR 微乎其微的電感器實(shí)現負載電流的準確測量 (參見(jiàn)圖 6)。


圖 5：LTC2974 用熱阻和延遲參數補償電感器自熱


圖 6：在整個(gè)溫度和輸出電流范圍內，針對一款 DC/DC 轉換器的 LTC2974 總電流測量誤差
 
INDUCTOR SELF-HEATING：電感器自熱
AVERAGE IOUT ERROR(FULL-SCALE %)：平均 IOUT 誤差 (滿(mǎn)標度 %)
CURRENT SET POINT：電流設定點(diǎn)
 
基于PC的設計和故障診斷
當與 LTpowerPlay™軟件一起使用時(shí)，LTC2974 的故障和警報寄存器允許設計師 (和現場(chǎng)用戶(hù)) 一目了然地確定電源基礎設施的狀態(tài) (參見(jiàn)圖 7)。在數據記錄中，提供狀態(tài)信息、可用時(shí)間和 ADC 遙測最后 500ms 的數據。如果為響應一個(gè)故障而禁止了某個(gè)通道，那么 LTC2974 的數據記錄可以存入受保護的 EEPROM 中。這個(gè) 255 字節的數據塊一直保持在非易失性存儲器中，直到用 I2C 命令清除為止。
 


圖 7：LTpowerPlay 軟件允許設計師通過(guò)一個(gè)纖巧的連接器，將 PC 插入系統，從而使電源管理系統能得到完整的配置和控制，而且一行代碼都不必編寫(xiě)。
 
圖 7 顯示，在 LTpowerPlay 的 LTC2974 界面中看到的數據記錄內容。LTC2974 以這種方式提供了在關(guān)鍵故障發(fā)生之前，電源系統狀態(tài)的完整瞬像，因此有可能在故障一發(fā)生時(shí)，就隔離故障根源。就調試高可靠性系統的預發(fā)布特征和現場(chǎng)故障而言，這是一種非常寶貴的功能。
 
獨立工作
基于 PC 且易于使用的 LTpowerPlay 軟件允許用戶(hù)通過(guò) USB 接口和一個(gè)加密狗卡配置 LTC2974。LTpowerPlay 軟件是免費提供并可下載，允許設計師在一個(gè)直觀(guān)的界面中，配置所有器件參數，從而省去了開(kāi)發(fā)過(guò)程中的大量編碼工作，并加快產(chǎn)品上市。
 
一旦器件配置最終確定，設計師就可以將參數保存到文件中，并上載到凌力爾特的工廠(chǎng)中。凌力爾特可以用該文件預設定器件，從而使客戶(hù)能最便利地對電路板開(kāi)發(fā)與運行狀況進(jìn)行檢驗。當內置 EEPROM 配置完成后，LTC2974 就能徹底地自主工作，而無(wú)需定制軟件。此外，增加一個(gè)纖巧的連接器，就允許 LTpowerPlay 軟件與 LTC2974 進(jìn)行系統內的溝通，從而使現場(chǎng)用戶(hù)能按照需要存取遙測、系統狀態(tài)以及故障記錄數據。
 
結論
LTC2974 數字電源管理器為高可用性系統提供了前所未有的參數準確度、豐富的功能和可擴展的模塊化架構。用 LTC2974 可以簡(jiǎn)化復雜的多軌系統設計。該器件采用了業(yè)界標準的 PMBus 接口，可直接與功能強大、基于 PC 且免費提供的 LTpowerPlay 控制軟件連接，并包括一個(gè)集成的 EEPROM 以實(shí)現徹底的定制化�？蛻�(hù)可用 LTpowerPlay 設計工具設計應用，并簡(jiǎn)便地將配置上載到凌力爾特的工廠(chǎng)。凌力爾特能夠采用您的定制配置在您的應用中產(chǎn)生安裝即用的預編程器件。