雙輸出 DC/DC 控制器結(jié)合了數(shù)字電源系統(tǒng)管理和 模擬控制環(huán)路以實(shí)現(xiàn) ±0.5% 的 VOUT 準(zhǔn)確度
2013-04-09
作者：Gregory Manlove
盡管電源管理對(duì)新式電子系統(tǒng)的可靠運(yùn)行至關(guān)重要，但是在今天以數(shù)字方式管理的系統(tǒng)中，穩(wěn)壓器也許是最后一個(gè)仍然存在的“盲點(diǎn)”。就穩(wěn)壓器而言，很少有辦法直接配置或監(jiān)視關(guān)鍵電源系統(tǒng)運(yùn)行參數(shù),。因此，希望全面實(shí)現(xiàn)數(shù)字控制的電源設(shè)計(jì)師必須使用混雜在一起的排序器,、微控制器和電壓監(jiān)察器,，以設(shè)定基本的穩(wěn)壓器啟動(dòng)和安全功能。目前已有數(shù)字可編程DC/DC 轉(zhuǎn)換器可用,，特別是那些為VRM 內(nèi)核電源而設(shè)計(jì)并具備VID 輸出電壓控制功能的轉(zhuǎn)換器,，但是這類(lèi)有特定應(yīng)用目標(biāo)的轉(zhuǎn)換器不能直接溝通重要的工作參數(shù)，例如實(shí)時(shí)電流,。
LTC3880 / LTC3880-1 結(jié)合了雙輸出同步降壓型DC/DC 控制器和擁有通過(guò)基于I2C 的PMBus 總線(xiàn)使用全面的電源管理功能,，這解決了復(fù)雜的電源系統(tǒng)管理問(wèn)題,。PMBus 可用來(lái)設(shè)定輸出電壓、電壓裕度,、開(kāi)關(guān)頻率,、排序以及若干其他工作參數(shù)(參見(jiàn)下面“PMBus控制”部分)。
圖1：采用外部功率MOSFET 的雙輸出穩(wěn)壓器
LTC3880 還允許通過(guò)16 位數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)監(jiān)視電源,，這種方法可提供輸入和輸出電壓及電流,、占空比以及溫度的數(shù)字回讀，其中包括重要參數(shù)的峰值,。LTC3880 還包括通過(guò)中斷標(biāo)志和非易失性存儲(chǔ)器實(shí)現(xiàn)廣泛的故障記錄功能,，非易失性存儲(chǔ)器是一種“黑匣子”記錄器，存儲(chǔ)了在故障發(fā)生之前瞬間轉(zhuǎn)換器的工作狀態(tài),。
數(shù)字電源系統(tǒng)管理的一個(gè)主要好處是降低了設(shè)計(jì)費(fèi)用,，并加速了產(chǎn)品上市。LTC3880 / LTC3880-1 憑借免費(fèi)提供和可下載的LTpowerPlay™ 開(kāi)發(fā)軟件,，極大地簡(jiǎn)化了復(fù)雜的多軌系統(tǒng)設(shè)計(jì),，該開(kāi)發(fā)軟件是一種基于PC 的全面開(kāi)發(fā)環(huán)境(參見(jiàn)圖6)。在該環(huán)境中,，在線(xiàn)測(cè)試(ICT) 和電路板調(diào)試僅需要點(diǎn)擊幾下鼠標(biāo)就可完成,，而無(wú)需焊接到“白色導(dǎo)線(xiàn)”定位點(diǎn)中。由于可以使用實(shí)時(shí)遙測(cè)數(shù)據(jù),，所以可以立即得到設(shè)計(jì)結(jié)果,，從而有可能預(yù)測(cè)電源系統(tǒng)故障，并立即采取預(yù)防性措施,。
也許最重要的是,，具備數(shù)字管理功能的DC/DC 轉(zhuǎn)換器允許設(shè)計(jì)師開(kāi)發(fā)“綠色”電源系統(tǒng)，這類(lèi)系統(tǒng)優(yōu)化了能源利用率,，同時(shí)滿(mǎn)足系統(tǒng)性能目標(biāo)(計(jì)算速度,、數(shù)據(jù)傳輸速率等等)。優(yōu)化可以在負(fù)載點(diǎn),、電路板和機(jī)架上進(jìn)行,，甚至可以在安裝階段進(jìn)行，從而降低了基礎(chǔ)設(shè)施成本和產(chǎn)品整個(gè)壽命期內(nèi)的總體擁有成本,。
為了提供最佳性能調(diào)節(jié),，LTC3880 堅(jiān)持采用精確的基準(zhǔn)和溫度補(bǔ)償模擬電流模式控制環(huán)路，以產(chǎn)生嚴(yán)格的±0.5% DC 輸出電壓準(zhǔn)確度,。該模擬控制環(huán)路促成了非常容易的補(bǔ)償,，環(huán)路經(jīng)過(guò)了校準(zhǔn)，以不受工作條件的影響，該環(huán)路還可實(shí)現(xiàn)逐周期限流,，并產(chǎn)生快速和準(zhǔn)確的電壓及負(fù)載瞬態(tài)響應(yīng),，在運(yùn)用數(shù)字控制的產(chǎn)品中沒(méi)有見(jiàn)到與ADC 量化有關(guān)的誤差。
LTC3880 具備內(nèi)置的穩(wěn)壓器以提高集成度,，而LTC3880-1 允許使用外部偏置電壓以實(shí)現(xiàn)最高效率,。這兩款器件都采用耐熱增強(qiáng)型6mm x 6mm QFN-40 封裝，工作節(jié)溫范圍為-40°C 至105°C (E 級(jí)版本) 或-40°C 至125°C (I 級(jí)版本),。
模擬控制環(huán)路確保同類(lèi)最佳的穩(wěn)壓器性能
LTC3880 / LTC3880-1 是數(shù)字可編程以實(shí)現(xiàn)無(wú)數(shù)功能,，這包括輸出電壓和電流限制設(shè)定點(diǎn)以及排序?？刂骗h(huán)路盡管是純模擬的,，但提供了最佳環(huán)路穩(wěn)定性和瞬態(tài)響應(yīng)，而不會(huì)產(chǎn)生數(shù)字控制環(huán)路的量化效應(yīng),。圖2 比較了具備模擬反饋控制環(huán)路的控制器IC 與具備數(shù)字反饋控制環(huán)路的控制器IC 之斜坡曲線(xiàn),。模擬環(huán)路有平滑的斜坡，而數(shù)字環(huán)路有離散的步進(jìn),，由于量化效應(yīng),，這可能導(dǎo)致穩(wěn)定性問(wèn)題、較慢的瞬態(tài)響應(yīng),、在某些應(yīng)用中需要更大的輸出電容以及在PWM 控制信號(hào)上有更大的輸出紋波和抖動(dòng),。
圖2：LTC3880 的模擬控制環(huán)路與數(shù)字控制環(huán)路的比較
ANALOG CONTROL LOOP：模擬控制環(huán)路
ANALOG CURRENT WAVEFORM：模擬電流波形
FIXED：固定的
DIGITAL CONTROL LOOP：數(shù)字控制環(huán)路
DIGITAL RAMP：數(shù)字斜坡
實(shí)際上，與具備數(shù)字控制環(huán)路的可比較IC 相比,，LTC3880 的模擬控制環(huán)路需要使用的輸出電容小50%且具有更好的穩(wěn)定性和更短的穩(wěn)定時(shí)間,。此外，由于存在ADC 分辨率有限引起的量化效應(yīng),，所以數(shù)字控制的瞬態(tài)響應(yīng)在穩(wěn)定之前有震蕩,。圖3 比較了LTC3880 的模擬控制環(huán)路與同類(lèi)IC 的數(shù)字控制環(huán)路的瞬態(tài)響應(yīng)。請(qǐng)注意,，LTC3880 使用約等于數(shù)字控制器一半的輸出電容,，但產(chǎn)生了更干凈的結(jié)果。
圖3：在15A 瞬態(tài)負(fù)載步進(jìn)情況下,，模擬和數(shù)字控制環(huán)路響應(yīng)的比較,。模擬控制環(huán)路需要的輸出電容僅為數(shù)字環(huán)路的一半，同時(shí)實(shí)現(xiàn)了卓越得多的穩(wěn)定時(shí)間
ANALOG CONTROL LOOP：模擬控制環(huán)路
100mV/DIV：每格100mV
AC-COUPLED：AC 耦合
15A LOAD STEP：15A 負(fù)載步進(jìn)
DIGITAL CONTROL LOOP：數(shù)字控制環(huán)路
LTC3880 設(shè)計(jì)為,，當(dāng)修改其配置文件時(shí),，環(huán)路增益不變。當(dāng)修改輸出電壓或電流限制時(shí),，瞬態(tài)響應(yīng)不受影響,，而且補(bǔ)償環(huán)路無(wú)需要調(diào)節(jié),。
PMBus 控制
LTC3880 / LTC3880-1 具備數(shù)字設(shè)定和回讀,，以實(shí)時(shí)控制和監(jiān)視關(guān)鍵負(fù)載點(diǎn)轉(zhuǎn)換器的功能,。配置可通過(guò)I2C 串行接口下載至內(nèi)部EEPROM，凌力爾特基于PC 的LTpowerPlay 開(kāi)發(fā)軟件支持該接口,。圖4 顯示了具備USB 至I2C/SMBus/PMBus 適配器連接的LTpowerPlay 開(kāi)發(fā)平臺(tái),。配置文件存儲(chǔ)在內(nèi)置的非易失性存儲(chǔ)器中以后，控制器自主加電,，而不會(huì)增加主機(jī)負(fù)擔(dān),。配置電路板是一項(xiàng)簡(jiǎn)單的任務(wù)，完全不需要開(kāi)發(fā)固件,。
圖4：用LTpowerPlay 軟件建立完整的開(kāi)發(fā)平臺(tái)非常容易
USB to PMBus Controller：USB 至PMBus 控制器
Demo Board：演示電路板
Socketed Programming Board：有插座的設(shè)置電路板
Customer Board with LTC3880/LTC3880-1：采用LTC3880 / LTC3880-1 的客戶(hù)電路板
Demonstration Kit：演示套件
Or：或
Socketed Programming：通過(guò)插座設(shè)置
In-circuit Serial Programming：在線(xiàn)串行設(shè)置
PMBus 功能包括可設(shè)置特定的電源管理參數(shù),，包括：
l 輸出電壓和電壓裕度
l 基于電感器溫度的溫度補(bǔ)償電流限制門(mén)限
l 開(kāi)關(guān)頻率
l 過(guò)壓和欠壓高速監(jiān)察器門(mén)限
l 輸出電壓接通/斷開(kāi)時(shí)間延遲
l 輸出電壓上升/下降時(shí)間
l 輸入電壓接通/斷開(kāi)門(mén)限
l 輸出軌接通/斷開(kāi)
l 輸出電壓軌高裕度/低裕度
l 響應(yīng)內(nèi)部/外部故障
l 故障傳播
此外，PMBus 功能允許監(jiān)視電源的運(yùn)行,，包括：
l 輸出/輸入電壓
l 輸出/輸入電流
l 內(nèi)部芯片溫度
l 外部電感器溫度
l 器件狀態(tài)
l 故障狀態(tài)
l 系統(tǒng)狀態(tài)
l 峰值輸出電流
l 峰值輸出電壓
l 峰值內(nèi)部/外部溫度
l 故障記錄狀態(tài)
組成一個(gè)多軌系統(tǒng)
大型多軌電源電路板一般由一個(gè)隔離式中間總線(xiàn)轉(zhuǎn)換器組成,，將來(lái)自背板的48V、24V 或其他相對(duì)較高的電壓轉(zhuǎn)換成較低的中間總線(xiàn)電壓(IBV),，一般為12V,，該中間總線(xiàn)電壓被分配到PC 板卡各處。
單獨(dú)的負(fù)載點(diǎn)(POL) DC-DC 轉(zhuǎn)換器將IBV 降至所需的軌電壓,，軌電壓通常在0.5V 至5V 范圍,，同時(shí)輸出電流范圍為0.5A 至120A。圖5 顯示,，怎樣用各種不同的凌力爾特控制器和DC/DC 轉(zhuǎn)換器PMBus 器件控制一個(gè)多軌系統(tǒng),。負(fù)載點(diǎn)DC/DC 轉(zhuǎn)換器可以是自含式模塊、單片器件,，或者由DC/DC 控制器IC 以及有關(guān)的電感器,、電容器和MOSFET 組成解決方案。這些軌通常對(duì)排序,、電壓準(zhǔn)確度,、過(guò)流和過(guò)壓限制、裕度調(diào)節(jié)以及監(jiān)察有嚴(yán)格的要求,。
圖5：用來(lái)控制15 個(gè)或更多軌的LTpowerPlay 和PMBus
SYSTEM HOST PROCESSOR WITH LTpowerPlay™：采用LTpowerPlay的系統(tǒng)主處理器
TO OTHER LTC3880s, LTC2974s AND LTC2978s：至其他LTC3880,、LTC2974 和LTC2978
RAIL 1：軌1
電源管理的復(fù)雜性越來(lái)越高。具有超過(guò)30 個(gè)軌的電路板并非不常見(jiàn),。這類(lèi)電路板上組件排列已經(jīng)相當(dāng)密集,，因此所增加的數(shù)字電源系統(tǒng)管理電路必須占用最少的電路板空間和外部引腳。該系統(tǒng)必須非常容易由用戶(hù)或系統(tǒng)主處理器進(jìn)行修改,。LTC3880 可與凌力爾特其他PMBus 監(jiān)察器,、伴隨IC 以及凌力爾特穩(wěn)壓器無(wú)縫配合，以實(shí)現(xiàn)復(fù)雜電路板的最佳控制。這些系統(tǒng)在初始配置完成后自主工作,，或與主處理器通信,，以獲取命令、實(shí)現(xiàn)控制并報(bào)告遙測(cè)數(shù)據(jù),。
凌力爾特PMBus 控制器(例如: LTC3880) 以及伴隨IC (例如: LTC2978) 使得為任何數(shù)量的電源設(shè)定加電和斷電排序都非常容易,。利用基于時(shí)間的算法，用戶(hù)能以任何順序和簡(jiǎn)單的可編程延遲動(dòng)態(tài)地對(duì)軌的接通和斷開(kāi)排序,。利用單線(xiàn)SHARE_CLK 總線(xiàn)以及一個(gè)或多個(gè)雙向通用IO (/GPIO) 引腳,，也可以跨多個(gè)芯片排序。這極大地簡(jiǎn)化了系統(tǒng)設(shè)計(jì),，因?yàn)槎鄠€(gè)軌能以任何順序排序,。還可以在以后增加額外的PMBus 芯片，而不必?fù)?dān)心系統(tǒng)限制,，例如連接器引腳數(shù)量有限等,。PMBus 支持多個(gè)地址，從而在同一條I2C 總線(xiàn)上允許連接超過(guò)100 個(gè)獨(dú)特的器件,。
軌接通的排序可以由響應(yīng)各種條件而觸發(fā),。例如，當(dāng)中間總線(xiàn)電壓超過(guò)所設(shè)定的門(mén)限(VIN(ON)) 時(shí),，LTC3880 和LTC2978 可以自動(dòng)排序,。或者,，軌接通排序可以由響應(yīng)RUN/CONTROL 引腳的上升沿而啟動(dòng),。軌接通排序還可以由PMBus 命令啟動(dòng)。
凌力爾特PMBus 伴隨IC 的故障引腳可以共享LTC3880 上的/GPIO 引腳,，以控制軌之間的故障響應(yīng)相關(guān)性,。例如，可以對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行配置,，以使一個(gè)軌上的故障可以啟動(dòng)任何數(shù)量軌的停機(jī),。如果將故障響應(yīng)配置為“立即斷開(kāi)、不進(jìn)行重試”,，而且發(fā)生了一個(gè)故障,，那么主處理器就必須采取行動(dòng)，以使這些軌重啟,?；蛘撸绻收享憫?yīng)被設(shè)定為“立即斷開(kāi),、無(wú)限重試”,，而且發(fā)生了一個(gè)故障,，那么斷開(kāi)的軌就嘗試以用戶(hù)可編程的延遲和打嗝模式自主加電。故障響應(yīng)還可以設(shè)定為“忽略不計(jì)”,，在這種情況下響應(yīng)故障時(shí),，/ALERT 引腳被拉低，以提醒主處理器出現(xiàn)了問(wèn)題,，但是電源繼續(xù)給負(fù)載供電,。/GPIO 引腳還可以配置為電源良好狀態(tài)引腳,，或配置為快速UV 比較器輸出,，以實(shí)現(xiàn)基于事件的排序。
LTpowerPlay 開(kāi)發(fā)系統(tǒng)
基于PC 的LTpowerPlay 軟件開(kāi)發(fā)系統(tǒng)全面支持LTC3880 的控制功能,，這允許設(shè)計(jì)師實(shí)時(shí)修改所有凌力爾特PMBus 產(chǎn)品的配置值,，而無(wú)需手動(dòng)給電路板更換連接線(xiàn)。圖6 顯示了工作中的LTpowerPlay,，它控制了多個(gè)器件的多種功能,，例如輸出電壓、保護(hù)限制和接通/斷開(kāi)斜坡,。其中還顯示了一些波形,，包括多個(gè)軌的排序和遙測(cè)圖。引起問(wèn)題的軌用紅色顯示,，任何受到影響的軌都用黃色表示,，以此指示故障情況。
圖6：復(fù)雜的多軌電源系統(tǒng)得到了簡(jiǎn)化,。LTpowerPlay 使你能隨時(shí)實(shí)現(xiàn)全面的電源控制
LTpowerPlay 是免費(fèi)提供的,，可從網(wǎng)址www.linear.com.cn/ltpowerplay 下載。LTpowerPlay 可與凌力爾特其他控制器和伴隨IC 配合使用,，能快速和容易地配置多軌電源系統(tǒng),。
結(jié)論
LTC3880 / LTC3880-1 結(jié)合了同類(lèi)最佳的模擬開(kāi)關(guān)穩(wěn)壓器、精確的數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換和靈活的數(shù)字接口,，可實(shí)現(xiàn)無(wú)與倫比的高性能,。多個(gè)LTC3880 可以與凌力爾特其他產(chǎn)品一起使用，以組成優(yōu)化的多軌數(shù)字電源系統(tǒng),。易于使用的LTpowerPlay 軟件開(kāi)發(fā)系統(tǒng)支持所有凌力爾特的PMBus 產(chǎn)品,。
對(duì)模擬電源的數(shù)字控制使設(shè)計(jì)師能讓系統(tǒng)快速進(jìn)入正常工作狀態(tài)，為監(jiān)視,、控制和調(diào)節(jié)電源電壓,、限制和排序提供了一條非常容易的途徑。使用幾條標(biāo)準(zhǔn)PMBus 命令,，就可以非常容易地進(jìn)行生產(chǎn)裕度測(cè)試,。調(diào)試也得到了簡(jiǎn)化,，因?yàn)榭梢酝ㄟ^(guò)該總線(xiàn)傳遞軌狀態(tài)信息。
電源系統(tǒng)數(shù)據(jù)可以發(fā)送回OEM,，以提供有關(guān)電源是否正常以及能耗的信息,。如果電路板被返回，那么可以讀出故障記錄,，以確定發(fā)生了什么故障,、電路板溫度和故障時(shí)間以及導(dǎo)致該故障的歷史數(shù)據(jù)。這些數(shù)據(jù)可用來(lái)快速確定故障的根本原因,，系統(tǒng)是否工作在規(guī)定的工作限制之外,，或用來(lái)改善未來(lái)產(chǎn)品的設(shè)計(jì)。功耗數(shù)據(jù)可用來(lái)實(shí)時(shí)降低總體功耗,。
客戶(hù)需要越來(lái)越復(fù)雜的電路板,，在這一需求的驅(qū)動(dòng)下，數(shù)字電源成為一個(gè)快速增長(zhǎng)的領(lǐng)域,。LTC3880 和凌力爾特其他PMBus 產(chǎn)品一起使用,，可為高性能電源提供靈活的數(shù)字控制。電路板設(shè)計(jì)師現(xiàn)在擁有了簡(jiǎn)化流程,、快速為市場(chǎng)提供同類(lèi)最佳性能的工具,。