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兼具數位電源管理和類比控制迴路的DC/DC控制器
實現 ±0.5% 的 VOUT 精準度

【作者: Hellmuth Witte】   2013年10月01日 星期二

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數位電源管理

今日資料中心系統的挑戰,是需要盡可能提高系統所有層面的效率,其中包括負載點、電路板、機架甚至安裝層面等,以達到更為環保的功效。例如,將工作流傳送給盡可能少的伺服器、關閉目前不需要的伺服器等,以此降低系統的總體功耗。要達到此點,並達到系統性能目標 (計算速度、資料傳輸速率等) 的唯一方式,是採用一個全面性的數位電源管理系統,以即時監視所有層面的功耗資料。


過去,設計師以一堆混雜的 IC 拼湊數位電源管理解決方案,這些 IC 包括監控器、排序器、DAC 和 ADC。這類解決方案除了既有有的複雜性以外,更不易擴展,需要為未來的系統升級進行大量前期規劃。而凌力爾特的LTC3883 / LTC3883-1 DC/DC 控制器整合了所有數位電源管理功能,消除了上述複雜性,因此可構成一易用、堅固和彈性的負載點 (POL) 電源管理解決方案。


LTC3883 / LTC3883-1 是一款通用、單通道、多相 (PolyPhaseR)、降壓控制器,具有數位電源系統管理、高性能類比控制迴路、內建驅動器、遠端輸出電壓檢測和電感器溫度感測功能。為將解決方案尺寸和成本縮減至最小,LTC3883 / LTC3883-1 採用了該公司正在申請專利的自動校準程式以測量電感 DC 電阻,在跨電感兩端逐週期測量電流時 (無損耗 DCR 感測) 得到準確的輸出電流測量值。LTC3883/-1 基於廣為使用的雙通道 LTC3880/-1。


LTC3883 / LTC3883-1 可以自主工作或透過業界標準的 I2C 串列匯流排,與系統主處理器通訊,以獲取命令、實施控制並報告遙測資料。這使其可直接從 LTC3883 / LTC3883-1 監視關鍵的工作資訊,例如即時電壓、電流和溫度,這些資訊可用來動態最佳化系統性能和可靠性。透過這些資訊的取得,將能預測電源系統故障,並採取預防性或調解措施。


重要的穩壓器參數 (例如輸出電壓和電流限制、裕度控制電壓、過壓和欠壓監察限制、啟動特性和時序、以及故障回應) 都可以透過該串列匯流排直接設定,而無需採用電阻、排序器、監視 IC 等外部元件。


由於有了數位電源系統管理,所以能快速、高效地開發複雜的多軌系統。LTpowerPlay 軟體使設計工作可進一步簡化作業,並能透過 PC 監視電路板和調節參數。這也使設計師能進行調試和線上測試 (ICT),而無需重新為電路板佈線或更換元件。



圖一 : 採用 LTC3883 實現的數位電源系統管理
圖一 : 採用 LTC3883 實現的數位電源系統管理

圖二 : 具DCR 檢測的高效率 500kHz 1.8V 降壓轉換器
圖二 : 具DCR 檢測的高效率 500kHz 1.8V 降壓轉換器

圖三 : 採用 LTpowerPlay 軟體的完整開發平臺
圖三 : 採用 LTpowerPlay 軟體的完整開發平臺

特色概述

LTC3883 / LTC3883-1 是一款單輸出同步降壓 DC/DC 控制器,其整合了電源 FET 閘極驅動器和一個類比電流模式控制迴路,該迴路能以 6 個相位的 PolyPhase 模式工作。頻率可以在 250kHz 至 1MHz 範圍內設定,如果有外部振盪器可用,那麼內部鎖相迴路能使 LTC3883 / LTC3883-1 與相同範圍內的任何頻率同步。


LTC3883 / LTC3883-1 具有最佳化的閘極驅動器死區時間(dead time),以最大限度地降低開關損耗和體二極體傳導,從而在所有工作條件下保持高效率。該元件支援 4.5V 至 24V 的寬 VIN 範圍和 0.5V 至 5.5V 的 VOUT 範圍。精準的參考、12 位元 DAC 和溫度補償類比電流模式控制迴路產生 ±0.5% 的 DC 輸出電壓精準度,整合式的高壓側輸入電流感測放大器允許精準的輸入電流感測和電感 DCR 自動校準。


16 位元資料擷取系統提供輸入和輸出電壓及電流、工作週期比和溫度的數位回讀。用戶可以回讀重要參數的峰值。關鍵控制器參數可以透過 PMBus 設定。故障記錄包括非揮發性記憶體中的中斷標記和黑盒子記錄器,該記憶體會儲存發生故障之前瞬間的工作狀態。


LTC3883 的特點是內建了一個 LDO 穩壓器,以提高整合度,而 LTC3883-1 用外部 5V 偏置電壓供電以提高效率。這兩款元件都採用耐熱加強型 32 接腳 5mm x 5mm QFN 封裝,工作接面溫度範圍或者為 -40°C 至 105°C (E 級) 或者為 -40°C 至 125°C (I 級)。


PMBus 控制

LTC3883 / LTC3883-1 PMBus 介面允許以數位方式設定關鍵的電源參數以及重要的即時狀態資料回讀。運用凌力爾特的 LTpowerPlay 開發軟體,可以將配置參數下載到內部 EEPROM 中。圖 5 顯示了基於 PC 的 LTpowerPlay 開發平台,該平台具備 USB 至 I2C / SMBus / PMBus 適配器。元件一旦按照所需配置完畢,就可自主工作,而無需主機控制,因此無需額外的韌體或微控制器。


通過 PMBus 可以設定以下電源參數:

  •  輸出電壓和裕度電壓


  •  基於電感溫度的溫度補償電流限制門檻


  •  開關頻率


  •  過壓和欠壓高速監控器門檻


  •  輸出電壓導通/斷開時間延遲


  •  輸出電壓上升/下降時間


  •  輸入電壓接通/斷開門檻


  •  輸出軌導通/斷開


  •  輸出軌裕度高/裕度低


  •  對內部/外部故障的響應


  •  故障傳播



PMBus 使使用者能監視以下電源狀態:

  •  輸出/輸入電壓


  •  輸出/輸入電流


  •  內部晶片溫度


  •  外部電感溫度


  •  元件狀態


  •  故障狀態


  •  系統狀態


  •  峰值輸出電流


  •  峰值輸出電壓


  •  峰值內部/外部溫度


  •  故障日誌狀態



類比控制迴路

LTC3883 / LTC3883-1 的眾多功能都是數位可程式設計的,包括輸出電壓、電流限制設定點和排序。不過,控制迴路仍然是純類比的,這樣就不會有數位控制迴路的量化效應,從而提供最佳迴路穩定性和暫態響應。


圖 4 比較的是具有類比回授控制迴路的控制器 IC 和具有數位回授控制迴路的控制器 IC 之上升曲線。類比迴路是平滑上升的,而數位迴路有一個個的步進,由於量化效應,這可能導致穩定性問題、更慢的暫態響應、在有些應用中需要更大的輸出電容以及在 PWM 控制訊號上有更大的輸出漣波和抖動。


電流模式控制迴路產生最佳迴路穩定性、逐週期電流限制以及快速和準確的電壓及負載暫態響應。簡單的迴路補償不受工作狀態和轉換器配置的影響。該元件還支援連續、斷續和高載模式 (Burst Mode) 電感器電流控制。



圖四 : LTC3883 的類比控制迴路與數位控制迴路的對比。類比迴路具有平滑的上升曲線,而數位迴路有一個一個的步進,由於量化效應,這可能導致穩定性問題、更慢的暫態響應、在有些應用中需要更大的輸出電容以及在 PWM 控制訊號上有更大的輸出漣波和抖動。
圖四 : LTC3883 的類比控制迴路與數位控制迴路的對比。類比迴路具有平滑的上升曲線,而數位迴路有一個一個的步進,由於量化效應,這可能導致穩定性問題、更慢的暫態響應、在有些應用中需要更大的輸出電容以及在 PWM 控制訊號上有更大的輸出漣波和抖動。

電感 DCR 的自動校準

利用電感的 DC 電阻而非感測電阻來感測 DC/DC 轉換器的輸出電流,是具有幾大優勢的,包括更低的功率損耗、電路複雜性和成本。不過,如果規定的標稱電感 DCR 和實際的電感 DCR 之間有任何差別,都會在所測得的輸出電流以及峰值電流限制中導致成比例的誤差。


運用凌力爾特正在申請專利的演算法,LTC3883 / LTC3883-1 可以測量並補償電感 DCR 與其標稱值之間的容差。只要在該轉換器處於穩定狀態、且具有足夠大的負載電流以準確測量輸入和輸出電流時,透過 PMBus 命令完成一個簡單的 180ms 校準程式即可。


LTC3883 / LTC3883-1 可準確測量電感器溫度,以在整個工作溫度範圍內保持精準的電流回讀。LTC3883 可動態地建立從外部溫度感測器到電感器磁芯的溫度上升模型,以瞭解電感器的自熱影響。這項正在申請專利的演算法簡化了外部溫度感測器的要求,實現了極其穩定的狀態,並補償了從電感磁芯到主散熱片的暫態溫度誤差。


多 IC 系統

大型多軌電源板通常由隔離式中間匯流排轉換器組成,該轉換器將來自背板的 -48V 電壓轉換成更低的中間匯流排電壓 (IBV),典型值為 12V,該中間匯流排電壓被分配到 PC 板的各處。單獨的負載點 (POL) DC-DC 轉換器將 IBV 降至所需的軌電壓,通常為 0.5V 至 5V,同時輸出電流的範圍為 0.5A 至 120A。這類電路板排列很密集,數位電源系統管理電路不能佔用太多 PC 板面積。


凌力爾特的高性能 PMBus 控制器 (例如: LTC3883 / LTC3883-1) 和伴隨 IC (例如: LTC2978) 一起操作,可以高效率且無縫地滿足今日複雜電路板嚴格的數位電源管理要求。這些要求包括排序、電壓準確度、過流和過壓限制、裕度控制、監視以及故障控制。對任何數量的電源而言,這些元件的任意組合都能使排序設計變得非常容易。運用基於時間的演算法,使用者能以簡單的可程式設計延遲,以任意順序對軌的導通和斷開排序。運用單線 SHARE_CLK 匯流排以及一個或多個雙向通用 IO (/GPIO) 接腳,可以跨多個晶片排序。


LTpowerPlay 軟體

LTpowerPlay 軟體使同時控制和監視多個支援 PMBus 的凌力爾特元件變得容易了。將系統參數下載到 LTC3883 / LTC3883-1 的內部 EEPROM 中,就可以即時修改該 DC/DC 控制器的配置。此允許用軟體調整系統組態,不必完成要求嚴苛的任務,例如更換元件、手動地給電路板重新佈線等,因此節省了設計開發時間。圖 5 顯示的是如何控制輸出電壓、OV/UV 保護限制以及接通/斷開斜坡。波形顯示輸出電壓的軟啟動和軟停止。圖中也顯示了警報和故障情況。



圖五 : 電源系統得到簡化。LTpowerPlay 使全面的電源控制觸手可及
圖五 : 電源系統得到簡化。LTpowerPlay 使全面的電源控制觸手可及

結論

LTC3883 / LTC3883-1 兼有高效能類比開關調節和精準的資料轉換,以及彈性的數位介面。多個 LTC3883 可以與其他元件並聯使用,以方便地建立最佳化的多軌數位電源系統。


LTpowerPlay 軟體發展系統支援所有凌力爾特 PMBus 產品,這有助於電路板設計師快速調試系統。LTpowerPlay 可用來監視、控制和調節電源電壓、限制值及排序。只用幾個標準 PMBus 命令,就可以非常容易地進行生產裕度測試。整合 LTC3883 / LTC3883-1 和其他凌力爾特 PMBus 產品,是快速將數位控制的電源導向市場的最佳途徑。


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