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作者：凌力爾特公司微型模塊電源產(chǎn)品部產(chǎn)品市場經(jīng)理 Afshin Odabaee 目前面臨的一個關鍵挑戰(zhàn)是，通過準確了解從宏觀到微觀的功率使用情況來降低功耗。例如，了解從大型伺服器群組到每個機架式系統(tǒng)中安裝在電路板上電源的功率使用情況。在電壓軌很多的電路板上管理電源并實現(xiàn)靈活性是非常困難的，而且需要工程師用數(shù)字電壓表(DVM)和示波器進行人手探測，而且結(jié)果是常常需要更換PCB組件。為了簡化這類電源管理任務，人們開始通過數(shù)字通信總線來配置和監(jiān)視電源，而且這種趨勢越來越明顯。換言之，這種方式實現(xiàn)了設定、監(jiān)視、更改和記錄電源參數(shù)的遙測能力。這種方法通常稱為“數(shù)字電源”或“電源系統(tǒng)管理”，能夠使系統(tǒng)設計師在產(chǎn)生原型產(chǎn)品、部署和現(xiàn)場運行時，簡化和加速系統(tǒng)描述及優(yōu)化過程。 
圖1：使用數(shù)字電源系統(tǒng)管理產(chǎn)品，能夠針對任何規(guī)模的系統(tǒng)更加準確地管理能耗和運行成本，這類產(chǎn)品具備數(shù)字總線遙測功能、板級存儲器和軟件控制功能 數(shù)字電源系統(tǒng)管理 數(shù)字電源系統(tǒng)管理(DPSM)產(chǎn)品是通過兩線PMBus接口接受配置和監(jiān)視的。PMBus是一種開放的I2C數(shù)字接口協(xié)議。這使得數(shù)字電源系統(tǒng)管理產(chǎn)品能夠與現(xiàn)有嵌入式系統(tǒng)和架構(gòu)、安裝在電路板上的控制器(BMC)以及智能平臺管理接口(IPMI)功能實現(xiàn)無縫集成。為了簡單易用，尤其是在硬件開發(fā)及測試的早期，人們使用在PC上運行的圖形用戶界面(GUI)，通過USB至PMBus適配電路板與DPSM產(chǎn)品通信。圖2所示方框圖顯示了用DPSM控制8個負載點(POL)穩(wěn)壓器的典型方法。該圖包括若干POL穩(wěn)壓器、一個DPSM構(gòu)件、數(shù)字總線以及一個收集和傳送數(shù)據(jù)的主控制器。 DPSM產(chǎn)品可以為用戶提供與電源有關的關鍵數(shù)據(jù)：用戶可以通過數(shù)字總線讀取負載電流、輸入電流、輸出電壓、計算功耗、效率以及其他電源管理參數(shù)。這樣就能夠進行預測性分析、最大限度降低運行成本、增強可靠性并做出明智的能耗管理決策。
圖2：具備數(shù)字遙測的數(shù)字電源系統(tǒng)管理產(chǎn)品允許隨時更改參數(shù)而不需更換硬件 DPSM的優(yōu)勢 在為ASIC、FPGA等低壓器件供電時，POL穩(wěn)壓器的輸出電壓準確度至關重要。DPSM產(chǎn)品用一個非常準確和穩(wěn)定的模數(shù)轉(zhuǎn)換器(ADC)不斷測量電源輸出電壓。時間伺服環(huán)路自動調(diào)節(jié)微調(diào)DAC的值，這消除了電源輸出電壓漂移，并極大地提高了準確度。另一方面，由于溫度變化和制造容限，傳統(tǒng)電源的輸出電壓會隨時間變化而漂移。這種電壓漂移可能超出設計裕度。此外，對于傳統(tǒng)電源而言，僅能通過更改PCB或更換元件來調(diào)節(jié)輸出電壓、排序安排以及電壓和電流監(jiān)察門限。 圖3總結(jié)了DPSM產(chǎn)品(右)相比較傳統(tǒng)POL轉(zhuǎn)換器(左)的優(yōu)勢。
圖3：DPSM產(chǎn)品用非常準確和穩(wěn)定的ADC不斷測量電源輸出電壓。諸如 LTpowerPlay等簡單的GUI可用來進行電源參數(shù)的READ/WRITE PSM的優(yōu)勢 傳統(tǒng)電源的電壓是固定的，而且不可能輕易地隨時改變。另一方面，以數(shù)字方式管理的電源卻可通過行業(yè)標準的兩線數(shù)字接口調(diào)節(jié)，而且有些電源的分辨率好于1mV。憑借DPSM產(chǎn)品，人們可以采用動態(tài)電壓及頻率調(diào)節(jié)等方法來微調(diào)系統(tǒng)性能，最大限度地減少功率浪費，而且這類方法已經(jīng)證明可降低總體系統(tǒng)能耗。 在傳統(tǒng)電源中，有些復雜系統(tǒng)監(jiān)視功能通常是與DC/DC穩(wěn)壓器分離的，需要額外的監(jiān)察IC或電路。此外，雖然可以檢測過壓(OV)、欠壓(UV)和過流(OC)故障等板級功能，但不是所有檢測結(jié)果都向主控制器報告，至少不是以簡單、無縫的方式報告。 在以數(shù)字方式管理的穩(wěn)壓器中，電源監(jiān)視功能是內(nèi)置和可編程的。一個POL的故障情況可以輕易與其他POL相結(jié)合以產(chǎn)生針對各種故障情況的定制響應。 通過DPSM產(chǎn)品，檢測到的故障能夠與準確度很高的電壓、電流和溫度測量結(jié)果相關聯(lián)。內(nèi)部非易失性存儲器可以存儲對于調(diào)試和根本原因分析的有用信息。
圖4：DPSM產(chǎn)品可以輕松配置，以通過LTpowerPlay等簡單的GUI來微調(diào)系統(tǒng)性能，并通過采用動態(tài)電壓和頻率調(diào)節(jié)等方法，最大限度地減少功率浪費 另一個有趣的課題是系統(tǒng)電壓軌的準確排序安排，這種安排常常在電路板制造完畢、電源電壓斜坡率需要調(diào)整時才能知道。在傳統(tǒng)電源中，雖然可以完成排序和斜坡上升，但是這些值是靜態(tài)的，只能通過電路板級更改才能調(diào)節(jié)。隨著穩(wěn)壓器配備了DPSM能力，電源參數(shù)就可以通過軟件配置了。因此不再需要電路板級或組件級更改。電源參數(shù)校正可以在室內(nèi)完成，因此無需重新鑒定，也不會導致產(chǎn)品延遲上市。 一個顯然的優(yōu)勢是調(diào)試和故障查找更快、更簡單。在傳統(tǒng)電源設計中，調(diào)試和故障查找是用外部測量儀表和探頭完成的，這使得測量難以進行。在以數(shù)字方式管理的電源中，測試硬件是內(nèi)置到每個POL中的，測量值可以運用GUI、通過數(shù)字接口讀取。 最后的例子是裕度測試。裕度測試的做法是，故意超出電源限制以模擬最差性能。裕度測試是惟一可接受的另一種最差情況的分析方法，這非常昂貴并需耗費大量時間。 在傳統(tǒng)POL中加入裕度測試提高了復雜性，而且由于制造容限而導致不準確問題。在DPSM產(chǎn)品中，裕度測試是內(nèi)置的，非常準確。此外，每個POL都可能有自己的裕度水平(高和低)，但是憑借DPSM產(chǎn)品，電源電壓的復雜組合可以通過數(shù)字接口設定。這為最差情況系統(tǒng)級性能分析提供了一種快速和簡便的方法。 控制電源：具備DPSM能力的雙通道13A微型模塊穩(wěn)壓器 凌力爾特公司提供的DPSM產(chǎn)品包括電源系統(tǒng)管理IC，如圖5所示(這些IC 包括DC/DC 穩(wěn)壓器功能，但是控制系統(tǒng)板上的穩(wěn)壓器，如上部的圖所示)。 下一個系列是DC/DC穩(wěn)壓器IC，這些穩(wěn)壓器包括數(shù)字電源系統(tǒng)管理功能，如圖5中部的圖所示。 DPSM系列中增加的一個新系列是具備PSM的微型模塊(μModule)電源產(chǎn)品。微型模塊穩(wěn)壓器包括電感器、功率MOSFET和補償電路，如圖5下部的圖所示。LTM4676是這個系列的首款微型模塊產(chǎn)品。 除了為一或兩個負載點供電，LTM4676還可通過PMBus來配置，并對電源及電源管理參數(shù)進行遙測監(jiān)視。PMBus是一種開放并基于I2C的數(shù)字串行接口協(xié)議。運用LTM4676的兩線串行接口，可設定輸出裕度、微調(diào)輸出，還可按照排序延遲時間使輸出以可編程轉(zhuǎn)換率斜坡上升或下降。LTM4676具備一個內(nèi)置的16位ADC和一個基于I2C的接口，用戶可以回讀輸入和輸出電流及電壓、輸出功率、溫度以及運行時間。有些峰值是可讀的。輸出電壓在檢測點上調(diào)節(jié)，隨溫度、電壓和負載條件變化調(diào)節(jié)準確度好于±1%。 該器件規(guī)定，在10A負載時的輸出電流回讀為±2.5%。這樣的準確度使得能夠準確地描述和監(jiān)視ASIC、FPGA和 CPU/GPU的功耗。再結(jié)合可隨時微調(diào)輸出電壓的能力，LTM4676為實現(xiàn)動態(tài)電壓調(diào)節(jié)、減載以及其他方法創(chuàng)造了機會，可以按照用戶設定的電源管理目標，最充分地挖掘系統(tǒng)的價值。 運用LTM4676，就能夠以數(shù)字方式監(jiān)視系統(tǒng)中的所有電壓軌，而且易于實現(xiàn)。通過數(shù)字監(jiān)視，可詳細了解能耗、加載模式和長期趨勢。這類數(shù)據(jù)使我們有機會開發(fā)預測性分析，針對預防性維護調(diào)度做出有根據(jù)的決策。
圖5：LTM4676是一款具備DPSM能力的雙通道13A或單通道26A Module穩(wěn)壓器。該器件采用16mm x 16mm x 5.01mm BGA封裝，簡化了DC/DC電路設計和數(shù)字遙測。 故障日志功能允許檢索LTM4676直至系統(tǒng)停機事件之前瞬間記錄的數(shù)據(jù)。這在高端系統(tǒng)中，可以將診斷問題的時間減少數(shù)小時甚至數(shù)天，而且校正診斷出的問題也非常簡單，通過PC更改某些寄存器設定就可以。此外，還可以現(xiàn)場監(jiān)視和升級系統(tǒng)電源。 總結(jié) LTM4676 μModule穩(wěn)壓器具備數(shù)字遙測和數(shù)字電源系統(tǒng)管理能力，使系統(tǒng)設計師能夠在產(chǎn)生原型產(chǎn)品、部署及現(xiàn)場運行時，簡化和加速系統(tǒng)描述及優(yōu)化。該器件提供極其準確的電源參數(shù)讀寫，經(jīng)過優(yōu)化，可與電壓非常低、功率非常大的IC一起使用，例如ASIC、FPGA和處理器。 |
