數字電源系統(tǒng)管理降低了數據中心的功耗

　　背景

　　好幾年以來，許多公司都對數字電源進行了大肆的宣傳，有的公司認為：數字電源包括數字功能和一個帶電源的通信鏈路。另有一些公司則表示：數字電源是一種具有一顆采用數字脈寬調制 (PWM) 內置芯片的狀態(tài)機。還有一些廠家指出：數字電源包括一個運行某種算法 (該算法用于補償控制環(huán)路) 的通用型數字信號處理器 (DSP)，而且僅僅依靠一根串行總線并不能提供數字電源解決方案。甚至有其他公司認為：數字電源具有一個帶狀態(tài)機或 DSP 的數字 PWM 環(huán)路。所有這些描述都可以說是令人大惑不解、無所適從，而且部分此類方法并不能產生優(yōu)良的性能。但是，在數字電源設計正確的情況下，它就能夠降低數據中心的功耗、縮短產品的面市時間、擁有卓越的穩(wěn)定性和瞬態(tài)響應性能、并提高總體系統(tǒng)的可靠性 (比如在網絡設備中)。

　　網絡設備的系統(tǒng)設計師正面臨著提升其系統(tǒng)的數據吞吐量和性能并增加功能及特點的壓力。與此同時，如何減少系統(tǒng)的總功耗也是其必需應對的難題。在數據中心里，人們所面對的挑戰(zhàn)是需要通過重新編排工作流程并將某些任務轉移至那些工作量不足的服務器 (從而可將其他的服務器關斷) 來降低總功耗。為了滿足這些需求，了解終端用戶設備的功耗是非常重要的。正確設計的數字電源管理系統(tǒng)能夠為用戶提供功耗數據，這樣就可以做出靈活的能量管理決策。

　　在當今的新式電子系統(tǒng)中，穩(wěn)壓器的狀態(tài)或許是所剩的最后一個“盲點”，因為一般情況下它們不具備對關鍵的操作參數進行直接配置或遠程監(jiān)視的方法。對于可靠運作而言，檢測穩(wěn)壓器輸出電壓的時間漂移或過熱狀況并據此采取相應的行動可以說是至關緊要的。設計精良的數字電源系統(tǒng)管理 (DPSM) 方案能夠監(jiān)視穩(wěn)壓器的性能并匯報其運行狀況，以在其超出規(guī)格范圍甚至發(fā)生故障之前采取糾正措施。

　　如欲把 DPSM 用于穩(wěn)壓器和電源設計，則要求工程師仔細查看一條學習曲線，以了解怎樣通過計算機上的圖形用戶界面 (GUI) 來完成此類器件的編程和連接。這包括學習新的程序設計軟件，而且每家提供數字電源器件的公司都有其獨特的軟件包。因此，應選擇一家擁有經過縝密思考和用戶友好型軟件包及 GUI 的公司，這一點很重要。此外，他們還應擁有一支信譽卓著的技術支持員工隊伍，這支隊伍具備在此類電源的設計過程中為客戶提供幫助所需的各種能力。

　　多軌板級電源系統(tǒng)

　　大多數嵌入式系統(tǒng)均通過一塊 48V 背板來供電。一般將該電壓降壓至一個較低的中間總線電壓 (通常為 12V 至 3.3V)，以為系統(tǒng)內部的電路板支架供電。然而，這些電路板上的子電路或 IC 需要在低于 1V 至 3.3V 的電壓范圍以及數十 mA 至數百 A 的電流范圍內運作。因此，為了將中間總線電壓降壓至子電路或 IC 所需的期望電壓，負載點 (POL) DC/DC 轉換器是必不可少的。這些電源軌具有嚴格的排序、電壓準確度、裕度調節(jié)和監(jiān)控要求。

　　在數據通信、電信或存儲系統(tǒng)中有可能存在多達 20 個 POL 電壓軌，系統(tǒng)設計師需要一種按照其輸出電壓、排序和最大可容許電流來管理這些電壓軌的簡單方法。某些處理器要求其 I/O 電壓在其內核電壓之前上升，而有些 DSP 則要求其內核電壓先于其 I/O 電壓上升。斷電排序也是不可或缺的。設計人員需要一種簡便易行的調整方法以優(yōu)化系統(tǒng)性能并存儲用于每個 DC/DC 轉換器的特定配置，從而達到簡化設計工作的目的。

　　為了避免昂貴 ASIC 遭受過壓情況的可能性，高速比較器必須監(jiān)視每個電源軌的電壓，并在某個電源軌超出其規(guī)定的安全操作限值范圍時立即采取保護措施。在數字電源系統(tǒng)中，可以在發(fā)生故障時通過 PMBus 報警線路通知主機，并可將有關的電源軌關斷以對諸如 ASIC 等受電器件實施保護。實現(xiàn)這種保護水平需要比較好的準確度以及大約數十 μs 的響應時間。

　　凌力爾特公司近期推出的 LTC®3880/-1 提供了高度準確的數字電源系統(tǒng)管理，并利用其高分辨率可編程性及快速遙測回讀實現(xiàn)了實時控制以及關鍵負載點轉換器功能的監(jiān)視。該器件是一款雙通道輸出、高效率同步降壓型 DC/DC 控制器，具有基于 I2C 的 PMBus 接口以及 100 多條命令和板載 EEPROM。LTC3880/-1 兼有同類最佳的模擬開關穩(wěn)壓控制器性能和精準混合信號數據轉換，可極其方便地實現(xiàn)電源系統(tǒng)的設計和管理，該器件得到了具有易用型圖形用戶界面 (GUI) 的 LTpowerPlayTM 軟件開發(fā)系統(tǒng)支持。圖 1 示出了典型的 LTC3880 應用原理圖。

　　圖 1：具有兩個大電流輸出的應用原理圖 (采用 LTC3880)

　　LTC3880/-1 可調節(jié)兩個獨立的輸出，或配置為兩相單輸出。多達 6 相可以交錯和并聯(lián)，以在多個 IC 之間實現(xiàn)準確的均流，從而最大限度地為大電流或多輸出應用降低輸入和輸出濾波要求。一個板載差分放大器提供了真正的遠端輸出電壓采樣。集成型柵極驅動器可從范圍為 4.5V 至 24V 的輸入電壓來驅動全 N 溝道功率 MOSFET，而且在整個工作溫度范圍內，在輸出電流高達每相 30A 時，該器件可產生準確度為 ±0.50% 并高達 5.5V 的輸出電壓。LTC3880/-1 還可與電源模組和 DRMOS 器件一起使用。跨多個芯片的準確定時和基于事件的排序允許優(yōu)化復雜和多軌系統(tǒng)的上電和斷電。LTC3880 具有一個用于控制器和柵極驅動電源的內置 LDO，而 LTC3880-1 則允許用外部偏置電壓實現(xiàn)最高效率。這兩款器件都采用耐熱性能增強型 6mm x 6mm QFN-40 封裝。

　　用于數字電源系統(tǒng)管理的控制接口

　　PMBus 命令語言專為滿足大型多軌系統(tǒng)的需要而開發(fā)，是一種采用完全定義的命令語言的開放標準電源管理協(xié)議，可簡化與功率轉換器、電源管理器件及系統(tǒng)主處理器的通信。除了一組精確定義的標準命令之外，符合 PMBus 標準的器件還能夠執(zhí)行其特有的專用命令，以提供一種對 POL DC/DC 轉換器進行編程和監(jiān)視的創(chuàng)新型方法。該協(xié)議通過業(yè)界標準的 SMBus 串行接口來執(zhí)行，并實現(xiàn)了功率轉換產品的編程、控制和實時監(jiān)視。命令語言和數據格式標準化可實現(xiàn)簡易的固件開發(fā)，從而加快了產品的面市進程。如需了解更多信息，請登錄 http://pmbus.org 網站查詢。

　　LTC3880/-1 可編程控制參數包括輸出電壓、裕度調節(jié)、電流限值、輸入和輸出監(jiān)控限值、上電排序和跟蹤、開關頻率、識別及可追溯性數據。片內精準數據轉換器和 EEPROM 允許收集穩(wěn)壓器配置設定值和遙測變量值，包括輸入和輸出電壓及電流、占空比、溫度以及故障記錄，并對這些設定值和變量進行非易失性存儲。下面的表 1 羅列了可采用 LTC3880/-1 進行編程的一些參數、其高分辨率、遙測回讀能力和替代解決方案。

　　表 1：某些 LTC3880/-1 可編程參數以及遙測回讀能力和準確度

　　LTC3880/-1 的配置可以很容易地通過器件的 I2C 串行接口保存到內部EEPROM 中。由于配置存儲在芯片上，所以該控制器可以自主上電，而不會增加主處理器的負擔。輸出電壓、開關頻率、相位和器件地址的缺省設置可以選擇通過外部電阻分壓器進行配置。多種設計可以非常容易地在固件中校準和配置，以為一系列應用優(yōu)化單個硬件設計。

　　模擬控制環(huán)路

　　LTC3880/-1 是一款適合眾多功能 (例如：輸出電壓、電流限制設定點和排序等等) 的數字式可編程 DC/DC 控制器，但它具有一個旨在實現(xiàn)最佳環(huán)路穩(wěn)定性和瞬態(tài)響應的模擬反饋控制環(huán)路，而沒有數字控制環(huán)路的量化效應。

　　圖 2 示出了采用模擬反饋控制環(huán)路和數字反饋控制環(huán)路時，控制器 IC 內部不同的斜坡曲線。模擬環(huán)路具有一個平滑的斜坡，而數字環(huán)路則類似于一個階躍函數 ━━ 這會引起穩(wěn)定性問題、減緩瞬態(tài)響應速度、并在某些應用中導致需要增加輸出電容，而且，數字環(huán)路的量化效應將造成輸出紋波增大。

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

　　LTC3880 的模擬控制環(huán)路的優(yōu)點之一是它能夠采用比數字控制環(huán)路替代方案小 50% 的輸出電容，而且穩(wěn)定性更佳 (實現(xiàn)穩(wěn)定所需的時間較短)。此外，數字控制瞬態(tài)響應在穩(wěn)定之前還會出現(xiàn)振蕩，這是由于量化效應及其 ADC 分辨率的局限性所造成的。圖 3 示出模擬控制環(huán)路與數字控制環(huán)路的瞬態(tài)響應之比較。

　　圖 3：25A 階躍時模擬控制環(huán)路與數字控制環(huán)路的瞬態(tài)響應比較 (對于一個工作頻率為 400kHz 的 12VIN 至 1.2VOUT DC/DC 轉換器)

　　此外，因 ADC、數字補償器和數字 PWM 而產生的數字控制環(huán)路量化效應還將給輸出紋波增加額外的電壓 (取決于 ADC 的分辨率和環(huán)路設計)。與此相反，模擬控制環(huán)路則不存在這種額外的輸出紋波電壓。

　　編程 LTpowerPlay 軟件和 GUI

　　LTC3880得到了具有易用型圖形用戶界面 (GUI) 的 LTpowerPlay 軟件開發(fā)系統(tǒng)的支持。圖 4 中給出的 GUI 截屏圖示出了多項功能的控制方法，例如：輸出電壓、保護限值、接通/關斷斜坡以及少量的波形 (包括多個電源軌的排序及遙測曲線)。這款強大的 GUI 軟件可從凌力爾特公司的網站免費下載，并能與其他的凌力爾特轉換器和監(jiān)控器件配合工作，以輕松快捷地開發(fā)多電壓軌系統(tǒng)。

　　圖 4：LTpowerPlay 的 GUI 截屏圖

　　結論

　　數字電源的主要優(yōu)點之一是具備預知電源系統(tǒng)故障并啟動保護性措施的潛力，這得益于實時遙測數據的提供。也許最重要的一點是：具有數字管理功能的 DC/DC 轉換器將使得設計人員能夠開發(fā)出“綠色”電源系統(tǒng)，此類電源系統(tǒng)可滿足目標性能、且能夠通過重新編排工作流程并將某些任務轉移至那些工作量不足的服務器 (從而可將其他的服務器關斷) 來確定何時降低總功耗。由于在負載點、電路板、支架、甚至安裝級上的能源使用量極少，因而有助于降低基礎設施成本以及產品生命周期中的總擁有成本。

　　數字電源系統(tǒng)管理的另一個優(yōu)點是能夠減低設計成本和加快產品的上市速度。通過采用一種具直觀的 GUI 集成開發(fā)環(huán)境，可以高效地開發(fā)復雜的多軌系統(tǒng)。此類系統(tǒng)還通過利用 GUI (而不是焊接裝配) 進行調整而簡化了在線測試 (ICT) 和電路板調試。

　　關于數字電源的定義及其優(yōu)點，如今的情況變得讓人迷惑不解。因此，數字電源的潛在用戶有必要就其希望實現(xiàn)的目標以及數字電源系統(tǒng)管理的優(yōu)點是否適合其產品和客戶而做好調查。他們必需確定自己所選擇的公司擁有高性能的模擬器件、廣受歡迎且易于使用的軟件包、以及一支受過良好教育、愿意為客戶提供所需幫助的技術支持隊伍。幸運的是，這樣的公司是存在的。