帳號:
密碼:
CTIMES / 文章 /   
數位電源管理可提升系統性能,同時降低能源成本
 

【作者: Andy Gardner】   2014年03月03日 星期一

瀏覽人次:【6324】
  

今日的網路設備設計者,不斷面臨著開發時間迅速縮短及成本受到嚴格限制的雙重壓力,但是,人們還期望他們能突破性能限制,並增加功能。越來越多的網路系統功能需要增加 ASIC 和處理器,而每個 ASIC 和處理器都需要幾種電壓軌,從而導致出現了具有幾十種軌電壓的線路卡。電壓軌如此眾多所帶來的挑戰,是必須最佳化硬體利用率,以將總體功耗降至最低。


為滿足此種需求,數位電源管理作為複雜的高可靠性應用之關鍵元件正快速出現。數位電源管理允許透過基於PC的軟體工具,高效率地對複雜的多軌系統進行調試,從而可避免耗費大量時間更改硬體。相較於傳統的硬體 ECN 方法,基於軟體的線路內測試 (ICT) 以及電路板開發與運行狀況檢驗工作大為簡化,這是因為韌體變更可在 PC 上完成,而無需接觸電路板。數位電源管理為設計者提供了即時遙測資料和故障記錄,而能快速診斷電源系統故障情況,並迅速採取糾正行動。


也許最有意義的是,具有數位管理功能的 DC/DC 轉換器允許設計者開發“綠色”電源系統,這類電源系統在滿足系統性能目標 (計算速度、資料傳輸速率等等) 的同時,還能最佳化能源利用率。最佳化可以在負載點、電路板和機架上,甚至在安裝階段進行,從而同時降低了基礎設施成本和產品在整個壽命期內的總體擁有成本。


本文即探討了在網路交換器和路由器、基地台和伺服器、以及工業和醫療設備中,如何透過使用四通道數位電源管理 IC 來改善性能、可靠性和能效。



圖一 : 具備 EEPROM 的四通道電源控制器 (僅顯示一個通道)
圖一 : 具備 EEPROM 的四通道電源控制器 (僅顯示一個通道)

對任何數量的電源排序;隨意增加電源

凌力爾特的LTC2974 四通道數位電源管理 IC簡化了任何數量電源的排序。透過使用基於時間的演算法,使用者能以任何順序、動態地為電源的導通和斷開排序。利用單線共用時脈匯流排以及一個或多個雙向故障引腳也可以跨多個 LTC2974 排序 (參見圖 2)。這種方法大幅簡化了系統設計,因為通道能按照任何順序排序,而不論由哪一個 LTC2974 提供控制。任何時間都可增加額外的 LTC2974,而不必擔心系統限制,例如子卡連接器引腳供應受限。



圖二 : 僅用兩條連接,就可以無縫地級聯多個 LTC2974
圖二 : 僅用兩條連接,就可以無縫地級聯多個 LTC2974

加電排序可由各種條件回應觸發。例如,當下游 DC/DC POL 轉換器的中間匯流排電壓超過特定導通電壓時,該元件就可自動排序。或者,導通排序可以由控制引腳輸入的上升或下降沿啟動。該元件還可提供回應故障情況的立即斷開或斷開排序。排序還可以由簡單的 I2C 命令啟動。LTC2974 支援這些條件的任意組合。


堅固的系統需要通用故障管理

雙向故障引腳可用來建立通道之間故障響應的相關性。例如,如果發生短路,那麼一個或多個通道的導通排序可以終止。電壓和電流監察器的限制門檻和回應時間的過大和過小值都是可程式設計的。此外,還可監視輸入電壓、晶片溫度和 4 個外部二極體的溫度。LTC2974 可以設定為--如果這些量之中的任意一個超過其過大或過小值的限制,那麼 LTC2974 就以若干方式做出回應,包括立即鎖斷、抗尖峰干擾鎖斷和具重試功能的鎖斷。


另外,還可用內建的看門狗計時器來監視外部微控制器。有兩種逾時間隔可用:第一次看門狗時間間隔和接續時間間隔。這使其可在一確定電源良好訊號以後,就為微控制器規定較長的逾時間隔。LTC2974 可以配置為-如果發生看門狗故障,就使微控制器在預先確定的時間長度內處重定模式,之後重新確定電源良好輸出。


利用準確的電壓監視來提升製造良率

隨著電壓降至低於 1.8V,很多現成的模組在隨溫度變化滿足輸出電壓準確度的要求方面都會遇到麻煩。現在,低於 ±10mV 的絕對準確度要求是常見的,從而必須在製造過程中微調輸出電壓,這是一個耗費大量時間的過程。


原始設備製造商 (OEM) 必須為測試留出裕度,以確保面對不斷漂移的軌電壓,提供可靠的系統,這可能導致大幅影響製造良率。解決此問題有一種好辦法,即接受電源模組不準確這個現實,使系統能在現場自我微調。LTC2974 的數位伺服迴路從外部微調該模組的輸出電壓,使其準確度隨溫度變化好於 ±0.25% (參見圖 3),從而將軌電壓漂移降至最低。除了改善製造良率,該數位伺服迴路避開了模組準確度限制,使為電源模組供電變得更容易了。



圖三 : LTC2974 可在整個溫度範圍內提供卓越的電壓伺服準確度
圖三 : LTC2974 可在整個溫度範圍內提供卓越的電壓伺服準確度

堅固的系統得自非常容易的裕度調節

LTC2974 的數位伺服迴路10 位元DAC 在為 Shmoo 繪圖等應用保持高解析度的同時,還允許用戶在寬廣的範圍內調節電源裕度。裕度調節是用單條命令透過 I2C 介面控制的,而且裕度調節 DAC 的輸出連接到回饋節點,或透過一個電阻器微調 DC/DC 轉換器的輸入。這個電阻值針對允許的輸出電壓裕度調節範圍設定了硬體限制,這對於軟體控制之下的電源是一項重要的安全措施。


準確和溫度補償的 DCR 負載電流監視

為了實現所希望的功耗節省,有必要總結出所有工作模式時的負載特性。FPGA 用戶最佳化代碼,以最大限度地降低功率,而 ASIC 使用者根據輸送量需求來調節內核電壓。準確即時的遙測大幅簡化了此種任務。


使用 LTC2974,可以根據電壓、電流和溫度狀態暫存器確定系統是否處於正常狀態,同時多路轉換的 16 位元 ?? ADC 監視輸入和輸出電壓、輸出電流、以及內部和外部二極體溫度。


由於內核電壓越來越低這一趨勢,準確測量負載電流已經變成了一種挑戰,因為使用精確的電流檢測電阻可能導致不可接受的功率損耗。一種選擇是將電感的 DC 電阻 (DCR) 用作電流分流元件。這麼做有幾種優勢,包括零附加功耗、更低的電路複雜性和成本。然而,電感器電阻與溫度有很大的相關性,而且準確測量電感器磁芯的溫度並不容易,會不可避免地導致電流測量誤差 (參見圖 4)。



圖四 : 一款 DC/DC 轉換器的熱像顯示了實際電感器溫度和溫度監測點之間的差別
圖四 : 一款 DC/DC 轉換器的熱像顯示了實際電感器溫度和溫度監測點之間的差別

憑藉正在申請專利的溫度補償演算法,LTC2974使準確的 DCR 檢測成為可能,該演算法補償從檢測二極體到電感器磁芯的溫度變化率,以及在電感器電流變化和溫度變化之間出現的時差 (參見圖 5)。這個功能與 LTC2974 的低雜訊 16 位 ?? ADC 相結合,可利用 DCR 微乎其微的電感器實現負載電流的準確測量 (參見圖 6)。


圖五 : LTC2974 用熱阻和延遲參數補償電感器自熱
圖五 : LTC2974 用熱阻和延遲參數補償電感器自熱

圖六 : 在整個溫度和輸出電流範圍內,針對一款 DC/DC 轉換器的 LTC2974 總電流測量誤差
圖六 : 在整個溫度和輸出電流範圍內,針對一款 DC/DC 轉換器的 LTC2974 總電流測量誤差

基於 PC 的設計和故障診斷

當與 LTpowerPlay? 軟體一起使用時,LTC2974 的故障和警報暫存器允許設計者 (和現場使用者) 一目了然地確定電源基礎設施的狀態 (參見圖 7)。在資料記錄中,提供狀態資訊、可用時間和 ADC 遙測最後 500ms 的資料。如果為響應一個故障而禁止了某個通道,那麼 LTC2974 的資料記錄可以存入受保護的 EEPROM 中。這個 255 位元組的資料塊一直保持在非揮發性記憶體中,直到以 I2C 命令清除為止。



圖七 : LTpowerPlay 軟體允許設計者透過一個精小的連接器,將 PC 插入系統,從而使電源管理系統能得到完整的配置和控制,而且一行代碼都不必編寫。
圖七 : LTpowerPlay 軟體允許設計者透過一個精小的連接器,將 PC 插入系統,從而使電源管理系統能得到完整的配置和控制,而且一行代碼都不必編寫。

圖 7 顯示,在 LTpowerPlay 的 LTC2974 介面中看到的資料記錄內容。LTC2974 以這種方式提供了在關鍵故障發生之前,電源系統狀態的完整瞬像,因此有可能在故障一發生時,就隔離故障根源。就調試高可靠性系統的預發佈特徵和現場故障而言,這是一種非常寶貴的功能。


獨立工作

基於 PC 且易於使用的 LTpowerPlay 軟體允許使用者透過 USB 介面和一個dongle卡配置 LTC2974。LTpowerPlay 軟體為免費提供並可下載,讓設計者在一個直覺性的介面中,配置所有元件參數,以省下開發過程中的大量編碼工作,並加快產品上市。


一旦元件配置最終確定,設計者就可以將參數保存到檔中,並上載到凌力爾特的工廠中。凌力爾特可以用該檔預設定元件,從而使客戶能最便利地對電路板開發與運行狀況進行檢驗。當內建 EEPROM 配置完成後,LTC2974 就能徹底地自主工作,而無需客製軟體。此外,增加一個精小的連接器,就可允許 LTpowerPlay 軟體與 LTC2974 進行系統內的溝通,從而使現場使用者能按照需要存取遙測、系統狀態以及故障記錄資料。


結論

LTC2974 數位電源管理器為高可用性系統提供了前所未有的參數準確度、豐富的功能和可擴展的模組化架構。透過該元件可簡化複雜的多軌系統設計,其採用了業界標準的 PMBus 介面,可直接與功能強大、基於 PC 且免費提供的 LTpowerPlay 控制軟體連接,並包括一個整合的 EEPROM 以實現徹底的客製化。客戶可透過 LTpowerPlay 設計工具設計應用,並簡易地將配置上載至凌力爾特工廠,凌力爾特將採用客戶的訂製配置,在其應用中產生安裝即用的預程式設計元件。


本文由凌力爾特混合訊號產品設計經理 Andy Gardner提供


相關文章
利用dsPIC33CK製作全橋相移峰值電流控制直流轉直流750W轉換器
建立使用者付費機制 看見智慧家庭發展願景
利用dsPIC33CK製作全橋相移峰值電流控制直流轉直流750W轉換器
工業相機技術持續翻新 機器視覺效益全面提升
服務型機器人成長快速 掌握關鍵技術方能站穩市場
comments powered by Disqus
相關討論
  相關新品
mbed
原廠/品牌:RS
供應商:RS
產品類別:PC Board
Arduino
原廠/品牌:RS
供應商:RS
產品類別:PC Board
Raspberry Pi
原廠/品牌:RS
供應商:RS
產品類別:PC Board
  相關新聞
» 封裝面臨量測挑戰 互連密度是封裝微縮關鍵管控因素
» 緯創醫學、馬雅資訊攜手勤業診所共創智能血透診所
» Amazon採用NVIDIA T4 GPU 將人工智慧效能搬上雲端
» 恩智浦推出安全UWB精密測距晶片組 助行動裝置廣泛部署
» 科技部訂定人工智慧科研發展指引 完善台灣AI科研發展環境
  相關產品
» 兆鎂新5MP偏振相機 打造工業成像新利器
» 戴爾推出OptiPlex 7070 Ultra 顛覆PC設計
» 貿澤供貨Analog Devices Power by Linear LTM4700 μModule穩壓器
» Molex推出Micro-Latch 2.00毫米線對板連接器系統
» 艾訊推出Intel Atom x5-E3940的強固型Pico-ITX嵌入式主機板PICO319
  相關資源
» Power Management Solutions for Altera FPGAs

AD


刊登廣告 新聞信箱 讀者信箱 著作權聲明 隱私權聲明 本站介紹

Copyright ©1999-2019 遠播資訊股份有限公司版權所有 Powered by O3
地址:台北市中山北路三段29號11樓 / 電話 (02)2585-5526 / E-Mail: webmaster@ctimes.com.tw