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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(chǎng)經(jīng)理 Afshin Odabaee 目前面臨的一個(gè)關(guān)鍵挑戰(zhàn)是，通過準(zhǔn)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(gè)機(jī)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(shí)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(jìn)行人手探測(cè)，而且結(jié)果是常常需要更換PCB組件。為了簡(jiǎn)化這類電源管理任務(wù)，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(shì)越來越明顯。換言之，這種方式實(shí)現(xiàn)了設(shè)定、監(jiān)視、更改和記錄電源參數(shù)的遙測(cè)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(shè)計(jì)師在產(chǎn)生原型產(chǎn)品、部署和現(xiàn)場(chǎng)運(yùn)行時(shí)，簡(jiǎn)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(duì)任何規(guī)模的系統(tǒng)更加準(zhǔn)確地管理能耗和運(yùn)行成本，這類產(chǎn)品具備數(shù)字總線遙測(cè)功能、板級(jí)存儲(chǔ)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(tái)管理接口(IPMI)功能實(shí)現(xiàn)無縫集成。為了簡(jiǎn)單易用，尤其是在硬件開發(fā)及測(cè)試的早期，人們使用在PC上運(yùn)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(gè)負(fù)載點(diǎn)(POL)穩(wěn)壓器的典型方法。該圖包括若干POL穩(wěn)壓器、一個(gè)DPSM構(gòu)件、數(shù)字總線以及一個(gè)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(guān)的關(guān)鍵數(shù)據(jù)：用戶可以通過數(shù)字總線讀取負(fù)載電流、輸入電流、輸出電壓、計(jì)算功耗、效率以及其他電源管理參數(shù)。這樣就能夠進(jìn)行預(yù)測(cè)性分析、最大限度降低運(yùn)行成本、增強(qiáng)可靠性并做出明智的能耗管理決策。
圖2：具備數(shù)字遙測(cè)的數(shù)字電源系統(tǒng)管理產(chǎn)品允許隨時(shí)更改參數(shù)而不需更換硬件 DPSM的優(yōu)勢(shì) 在為ASIC、FPGA等低壓器件供電時(shí)，POL穩(wěn)壓器的輸出電壓準(zhǔn)確度至關(guān)重要。DPSM產(chǎn)品用一個(gè)非常準(zhǔn)確和穩(wěn)定的模數(shù)轉(zhuǎn)換器(ADC)不斷測(cè)量電源輸出電壓。時(shí)間伺服環(huán)路自動(dòng)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(zhǔn)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(huì)隨時(shí)間變化而漂移。這種電壓漂移可能超出設(shè)計(jì)裕度。此外，對(duì)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(shì)。
圖3：DPSM產(chǎn)品用非常準(zhǔn)確和穩(wěn)定的ADC不斷測(cè)量電源輸出電壓。諸如 LTpowerPlay等簡(jiǎn)單的GUI可用來進(jìn)行電源參數(shù)的READ/WRITE PSM的優(yōu)勢(shì) 傳統(tǒng)電源的電壓是固定的，而且不可能輕易地隨時(shí)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(biāo)準(zhǔn)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(dòng)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(fèi)，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(fù)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(cè)過壓(OV)、欠壓(UV)和過流(OC)故障等板級(jí)功能，但不是所有檢測(cè)結(jié)果都向主控制器報(bào)告，至少不是以簡(jiǎn)單、無縫的方式報(bào)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(gè)POL的故障情況可以輕易與其他POL相結(jié)合以產(chǎn)生針對(duì)各種故障情況的定制響應(yīng)。 通過DPSM產(chǎn)品，檢測(cè)到的故障能夠與準(zhǔn)確度很高的電壓、電流和溫度測(cè)量結(jié)果相關(guān)聯(lián)。內(nèi)部非易失性存儲(chǔ)器可以存儲(chǔ)對(duì)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(jiǎn)單的GUI來微調(diào)系統(tǒng)性能，并通過采用動(dòng)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(fèi) 另一個(gè)有趣的課題是系統(tǒng)電壓軌的準(zhǔn)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(shí)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(jí)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(jí)或組件級(jí)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(huì)導(dǎo)致產(chǎn)品延遲上市。 一個(gè)顯然的優(yōu)勢(shì)是調(diào)試和故障查找更快、更簡(jiǎn)單。在傳統(tǒng)電源設(shè)計(jì)中，調(diào)試和故障查找是用外部測(cè)量?jī)x表和探頭完成的，這使得測(cè)量難以進(jìn)行。在以數(shù)字方式管理的電源中，測(cè)試硬件是內(nèi)置到每個(gè)POL中的，測(cè)量值可以運(yùn)用GUI、通過數(shù)字接口讀取。 最后的例子是裕度測(cè)試。裕度測(cè)試的做法是，故意超出電源限制以模擬最差性能。裕度測(cè)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(fèi)大量時(shí)間。 在傳統(tǒng)POL中加入裕度測(cè)試提高了復(fù)雜性，而且由于制造容限而導(dǎo)致不準(zhǔn)確問題。在DPSM產(chǎn)品中，裕度測(cè)試是內(nèi)置的，非常準(zhǔn)確。此外，每個(gè)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(fù)雜組合可以通過數(shù)字接口設(shè)定。這為最差情況系統(tǒng)級(jí)性能分析提供了一種快速和簡(jiǎn)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(gè)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(gè)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(bǔ)償電路，如圖5下部的圖所示。LTM4676是這個(gè)系列的首款微型模塊產(chǎn)品。 除了為一或兩個(gè)負(fù)載點(diǎn)供電，LTM4676還可通過PMBus來配置，并對(duì)電源及電源管理參數(shù)進(jìn)行遙測(cè)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(yùn)用LTM4676的兩線串行接口，可設(shè)定輸出裕度、微調(diào)輸出，還可按照排序延遲時(shí)間使輸出以可編程轉(zhuǎn)換率斜坡上升或下降。LTM4676具備一個(gè)內(nèi)置的16位ADC和一個(gè)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(yùn)行時(shí)間。有些峰值是可讀的。輸出電壓在檢測(cè)點(diǎn)上調(diào)節(jié)，隨溫度、電壓和負(fù)載條件變化調(diào)節(jié)準(zhǔn)確度好于±1%。 該器件規(guī)定，在10A負(fù)載時(shí)的輸出電流回讀為±2.5%。這樣的準(zhǔn)確度使得能夠準(zhǔn)確地描述和監(jiān)視ASIC、FPGA和 CPU/GPU的功耗。再結(jié)合可隨時(shí)微調(diào)輸出電壓的能力，LTM4676為實(shí)現(xiàn)動(dòng)態(tài)電壓調(diào)節(jié)、減載以及其他方法創(chuàng)造了機(jī)會(huì)，可以按照用戶設(shè)定的電源管理目標(biāo)，最充分地挖掘系統(tǒng)的價(jià)值。 運(yùn)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(shí)現(xiàn)。通過數(shù)字監(jiān)視，可詳細(xì)了解能耗、加載模式和長期趨勢(shì)。這類數(shù)據(jù)使我們有機(jī)會(huì)開發(fā)預(yù)測(cè)性分析，針對(duì)預(yù)防性維護(hù)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(jiǎn)化了DC/DC電路設(shè)計(jì)和數(shù)字遙測(cè)。 故障日志功能允許檢索LTM4676直至系統(tǒng)停機(jī)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(shí)間減少數(shù)小時(shí)甚至數(shù)天，而且校正診斷出的問題也非常簡(jiǎn)單，通過PC更改某些寄存器設(shè)定就可以。此外，還可以現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)視和升級(jí)系統(tǒng)電源。 總結(jié) LTM4676 μModule穩(wěn)壓器具備數(shù)字遙測(cè)和數(shù)字電源系統(tǒng)管理能力，使系統(tǒng)設(shè)計(jì)師能夠在產(chǎn)生原型產(chǎn)品、部署及現(xiàn)場(chǎng)運(yùn)行時(shí)，簡(jiǎn)化和加速系統(tǒng)描述及優(yōu)化。該器件提供極其準(zhǔn)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。 |
