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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)鍵挑戰是，通過(guò)準確了解從宏觀(guān)到微觀(guān)的功率使用情況來(lái)降低功耗。例如，了解從大型伺服器群組到每個(gè)機架式系統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)現靈活性是非常困難的，而且需要工程師用數字電壓表(DVM)和示波器進(jìn)行人手探測，而且結果是常常需要更換PCB組件。為了簡(jiǎn)化這類(lèi)電源管理任務(wù)，人們開(kāi)始通過(guò)數字通信總線(xiàn)來(lái)配置和監視電源，而且這種趨勢越來(lái)越明顯。換言之，這種方式實(shí)現了設定、監視、更改和記錄電源參數的遙測能力。這種方法通常稱(chēng)為“數字電源”或“電源系統管理”，能夠使系統設計師在產(chǎn)生原型產(chǎn)品、部署和現場(chǎng)運行時(shí)，簡(jiǎn)化和加速系統描述及優(yōu)化過(guò)程。 
圖1：使用數字電源系統管理產(chǎn)品，能夠針對任何規模的系統更加準確地管理能耗和運行成本，這類(lèi)產(chǎn)品具備數字總線(xiàn)遙測功能、板級存儲器和軟件控制功能 數字電源系統管理 數字電源系統管理(DPSM)產(chǎn)品是通過(guò)兩線(xiàn)PMBus接口接受配置和監視的。PMBus是一種開(kāi)放的I2C數字接口協(xié)議。這使得數字電源系統管理產(chǎn)品能夠與現有嵌入式系統和架構、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(shí)現無(wú)縫集成。為了簡(jiǎn)單易用，尤其是在硬件開(kāi)發(fā)及測試的早期，人們使用在PC上運行的圖形用戶(hù)界面(GUI)，通過(guò)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)負載點(diǎn)(POL)穩壓器的典型方法。該圖包括若干POL穩壓器、一個(gè)DPSM構件、數字總線(xiàn)以及一個(gè)收集和傳送數據的主控制器。 DPSM產(chǎn)品可以為用戶(hù)提供與電源有關(guān)的關(guān)鍵數據：用戶(hù)可以通過(guò)數字總線(xiàn)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。這樣就能夠進(jìn)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：具備數字遙測的數字電源系統管理產(chǎn)品允許隨時(shí)更改參數而不需更換硬件 DPSM的優(yōu)勢 在為ASIC、FPGA等低壓器件供電時(shí)，POL穩壓器的輸出電壓準確度至關(guān)重要。DPSM產(chǎn)品用一個(gè)非常準確和穩定的模數轉換器(ADC)不斷測量電源輸出電壓。時(shí)間伺服環(huán)路自動(dòng)調節微調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計裕度。此外，對于傳統電源而言，僅能通過(guò)更改PCB或更換元件來(lái)調節輸出電壓、排序安排以及電壓和電流監察門(mén)限。 圖3總結了DPSM產(chǎn)品(右)相比較傳統POL轉換器(左)的優(yōu)勢。
圖3：DPSM產(chǎn)品用非常準確和穩定的ADC不斷測量電源輸出電壓。諸如 LTpowerPlay等簡(jiǎn)單的GUI可用來(lái)進(jìn)行電源參數的READ/WRITE PSM的優(yōu)勢 傳統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，以數字方式管理的電源卻可通過(guò)行業(yè)標準的兩線(xiàn)數字接口調節，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)電壓及頻率調節等方法來(lái)微調系統性能，最大限度地減少功率浪費，而且這類(lèi)方法已經(jīng)證明可降低總體系統能耗。 在傳統電源中，有些復雜系統監視功能通常是與DC/DC穩壓器分離的，需要額外的監察IC或電路。此外，雖然可以檢測過(guò)壓(OV)、欠壓(UV)和過(guò)流(OC)故障等板級功能，但不是所有檢測結果都向主控制器報告，至少不是以簡(jiǎn)單、無(wú)縫的方式報告。 在以數字方式管理的穩壓器中，電源監視功能是內置和可編程的。一個(gè)POL的故障情況可以輕易與其他POL相結合以產(chǎn)生針對各種故障情況的定制響應。 通過(guò)DPSM產(chǎn)品，檢測到的故障能夠與準確度很高的電壓、電流和溫度測量結果相關(guān)聯(lián)。內部非易失性存儲器可以存儲對于調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(guò)LTpowerPlay等簡(jiǎn)單的GUI來(lái)微調系統性能，并通過(guò)采用動(dòng)態(tài)電壓和頻率調節等方法，最大限度地減少功率浪費 另一個(gè)有趣的課題是系統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整時(shí)才能知道。在傳統電源中，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(guò)電路板級更改才能調節。隨著(zhù)穩壓器配備了DPSM能力，電源參數就可以通過(guò)軟件配置了。因此不再需要電路板級或組件級更改。電源參數校正可以在室內完成，因此無(wú)需重新鑒定，也不會(huì )導致產(chǎn)品延遲上市。 一個(gè)顯然的優(yōu)勢是調試和故障查找更快、更簡(jiǎn)單。在傳統電源設計中，調試和故障查找是用外部測量?jì)x表和探頭完成的，這使得測量難以進(jìn)行。在以數字方式管理的電源中，測試硬件是內置到每個(gè)POL中的，測量值可以運用GUI、通過(guò)數字接口讀取。 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(shí)間。 在傳統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(wèn)題。在DPSM產(chǎn)品中，裕度測試是內置的，非常準確。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，電源電壓的復雜組合可以通過(guò)數字接口設定。這為最差情況系統級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微型模塊穩壓器 凌力爾特公司提供的DPSM產(chǎn)品包括電源系統管理IC，如圖5所示(這些IC 包括DC/DC 穩壓器功能，但是控制系統板上的穩壓器，如上部的圖所示)。 下一個(gè)系列是DC/DC穩壓器IC，這些穩壓器包括數字電源系統管理功能，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(gè)系列的首款微型模塊產(chǎn)品。 除了為一或兩個(gè)負載點(diǎn)供電，LTM4676還可通過(guò)PMBus來(lái)配置，并對電源及電源管理參數進(jìn)行遙測監視。PMBus是一種開(kāi)放并基于I2C的數字串行接口協(xié)議。運用LTM4676的兩線(xiàn)串行接口，可設定輸出裕度、微調輸出，還可按照排序延遲時(shí)間使輸出以可編程轉換率斜坡上升或下降。LTM4676具備一個(gè)內置的16位ADC和一個(gè)基于I2C的接口，用戶(hù)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(shí)間。有些峰值是可讀的。輸出電壓在檢測點(diǎn)上調節，隨溫度、電壓和負載條件變化調節準確度好于±1%。 該器件規定，在10A負載時(shí)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視ASIC、FPGA和 CPU/GPU的功耗。再結合可隨時(shí)微調輸出電壓的能力，LTM4676為實(shí)現動(dòng)態(tài)電壓調節、減載以及其他方法創(chuàng )造了機會(huì )，可以按照用戶(hù)設定的電源管理目標，最充分地挖掘系統的價(jià)值。 運用LTM4676，就能夠以數字方式監視系統中的所有電壓軌，而且易于實(shí)現。通過(guò)數字監視，可詳細了解能耗、加載模式和長(cháng)期趨勢。這類(lèi)數據使我們有機會(huì )開(kāi)發(fā)預測性分析，針對預防性維護調度做出有根據的決策。
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電路設計和數字遙測。 故障日志功能允許檢索LTM4676直至系統停機事件之前瞬間記錄的數據。這在高端系統中，可以將診斷問(wèn)題的時(shí)間減少數小時(shí)甚至數天，而且校正診斷出的問(wèn)題也非常簡(jiǎn)單，通過(guò)PC更改某些寄存器設定就可以。此外，還可以現場(chǎng)監視和升級系統電源。 總結 LTM4676 μModule穩壓器具備數字遙測和數字電源系統管理能力，使系統設計師能夠在產(chǎn)生原型產(chǎn)品、部署及現場(chǎng)運行時(shí)，簡(jiǎn)化和加速系統描述及優(yōu)化。該器件提供極其準確的電源參數讀寫(xiě)，經(jīng)過(guò)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。 |
