【導讀】對于任何人來說，數字電源系統管理 (DPSM) 在通信和計算機行業內的持續采用，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 為例來說明。
它們為那些傳輸 100Mbit/s 至 100Gbit/s 以太網和 32Gbit/s 光纖通道流量的端口實現了一組更加靈活的接口。這使得能夠把較高密度的 100G 端口放入單個機架單元中。除此之外，這些 20nm 以下工藝還允許把超過 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，他們也面臨著降低系統總體功耗的壓力。例如，一個典型的挑戰便是通過重新安排工作流程，將作業轉移到未充分利用的服務器上，從而允許其他服務器關機，以此降低總體功耗。為了滿足這些需求，知道最終用戶設備的功耗是至關重要的。于是，一個設計得當的數字電源管理系統能為用戶提供功耗數據，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鍵的要求，這里，負責控制內部環境溫度之 HVAC 系統的電力成本是很重要的。在現實中，此類成本每個月可達幾百萬美元。
系統挑戰
當數字電源正確使用時，它能夠降低設備功耗、縮短產品上市時間、擁有卓越的穩定性和瞬態響應、并提高整體系統可靠性。
DPSM 一項主要的優勢是能夠降低設計成本和加快產品上市進程。采用一種具有直觀圖形界面 (GUI) 的綜合開發環境，即可以高效地開發復雜的多電壓軌系統。另外，此類系統還可利用 GUI 而不是在 “白色導線” 固定點上進行焊接來實現更改，從而簡化了在線測試 (ICT) 和電路板調試工作。另一個益處是，由于有實時遙測數據可用，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發 “綠色” 電源系統，這種系統可滿足目標性能要求 (計算速度、數據速率等)，而且在負載點、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品整個壽命期的總擁有成本。
許多電信和數據通信系統通過一塊 48V 背板供電。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，為實現從中間總線電壓至子電路或 IC 所需之期望電壓的降壓，負載點 (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。
在一個電信系統中會有多達 50 個 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，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優化系統性能和為每個 DC/DC 轉換器存儲一種特定配置的簡易方式，旨在簡化設計工作。
此外，為避免昂貴的 FPGA、ASIC 和 DSP 遭遇過壓情況的可能性，高速比較器必須監視每個電源軌的電壓電平，并在某個電源軌超出其規定的安全工作限制范圍時立即采取保護性措施。在數字供電型系統中，當出現某種故障時可通過 PMBus 警示線路通知主機，并且能夠把相關的電壓軌關斷以保護 FPGA 等受電器件。實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間。
由于要面對這些挑戰，因此凌力爾特決定開發一個 PSM 產品線，其包括具集成型功率 FET 柵極驅動器和豐富齊全之電源管理功能 (通過基于 I2C 的 PMBus 來使用) 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路、經過校準以不受工作條件之影響的簡易型補償、逐周期電流限制、快速和準確的均流、以及針對線路電壓和負載瞬變的響應，并不存在任何與 ADC 量化相關聯的誤差，此類誤差是采用 “數字” 控制之產品中所常見的。該產品線的某些產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，還整合了通過一個中斷標記及一個 “黑匣子” 記錄器 (其負責存儲發生某種故障之前的轉換器工作狀況) 實現的故障記錄功能。
針對復雜問題的簡單解決方案
那么，為給其最終產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系統，以便能夠通過一根數字通信總線容易地對其實施配置和監視。這將通過使用下面三者之一來實現：I2C、SMBus 或 PMBus。這些總線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。這樣一個系統的簡化瞬像示于圖 1。
圖 1：典型數字電源系統管理系統配置
在該例中可見，PoL 轉換器示出了 3 種不同的拓撲配置。在該圖的上部，一個電源系統管理器芯片與一個傳統的 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對其進行接口、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 (在同一個封裝中)。最后，該圖中最下面的那個 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聯的外部組件整合成單個 IC。
µModule DC/DC 穩壓器可提供一種同時提供高功率輸出和 DPSM 功能的簡單和有效之方法。由于可容易地通過并聯多個 µModule 穩壓器以提供高電流輸出 (各個通道彼此之間的電流匹配準確度標稱值在 1% 以內)，從而降低了產生熱點的可能性。而且，只有其中一個 µModule 穩壓器必需具備 DPSM 能力，原因是即使并聯的 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 LTM4677 (36A DPSM µModule) 與 3 個 LTM4650 (50A µModule) 相并聯的應用電路原理圖。
圖 2：一個 LTM4677 DPSM 模塊與三個 LTM4650 模塊的組合可從一個標稱 12V 輸入提供 186A 和 1V 輸出
用于 DPSM 產品的 LTpowerPlay 通用型 GUI
采用 DPSM 產品構建之系統的一個主要優勢在于：借助合適的 GUI 可以容易地與系統內部的每個個別 PoL 轉換器進行通信。因此，從一開始凌力爾特就決定開發一款作為完整開發平臺的 GUI，該 GUI 可容易地與凌力爾特在其 DPSM 產品庫中提供的所有不同類型產品一起使用，即基于 LTpowerPlay 窗口的開發環境。該軟件不僅使得能夠容易地同時控制和監視多個支持 PMBus 的凌力爾特器件，而且還允許通過把系統參數下載到個別器件的內部 EEPROM 實時地完成 DC/DC 轉換器配置的更改。這通過允許利用軟件來調整系統配置 (而不是求助于用焊烙鐵換出組件并重新進行電路板布線的費時傳統！) 縮短了設計開發時間。但事情還不止于此，一旦在現場部署了某個終端系統 (例如：數據中心)，則監管員通過一個采用該 GUI 的適用接口簡單地更新 PoL 轉換器的工作參數可實時地調整系統。圖 3 示出了用戶詢問其系統時將會看到凌力爾特 LTpowerPlay 功能控制頁的典型屏幕截圖。
凌力爾特所有的 PMBus 產品均由該軟件開發系統提供支持，它能夠在初始開發階段及隨后在用戶現場實施安裝時幫助設計人員快速完成系統的調試。其可簡便快捷地實現電源電壓、限值和排序的監視、控制和調整。而且，采用幾個標準的 PMBus 命令還可以容易地完成生產裕度測試。
圖 3：LTpowerPlay GUI 之典型功能控制頁屏幕截圖的瞬像
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單和強而有力的方法，僅使用 4 個 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，通過以一種多相配置組合使用 LTM4677 和 3 個 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地縮短了通常與這種努力相關聯的調試時間。這降低了基礎設施成本和產品整個壽命期的總擁有成本。雖然這沒有調試硬件系統時采用電烙鐵重新布線之傳統方法的那些樂趣，但是其方便而且節省時間的特性非常引人注目而不容忽視。
