雙輸出 DC/DC 控制器結合了數(shù)字電源系統(tǒng)管理和 模擬控制環(huán)路以實現(xiàn) ±0.5% 的 VOUT 準確度
2013-04-09
作者：Gregory Manlove
盡管電源管理對新式電子系統(tǒng)的可靠運行至關重要，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仍然存在的“盲點”。就穩(wěn)壓器而言，很少有辦法直接配置或監(jiān)視關鍵電源系統(tǒng)運行參數(shù)。因此，希望全面實現(xiàn)數(shù)字控制的電源設計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，以設定基本的穩(wěn)壓器啟動和安全功能。目前已有數(shù)字可編程DC/DC 轉換器可用，特別是那些為VRM 內(nèi)核電源而設計并具備VID 輸出電壓控制功能的轉換器，但是這類有特定應用目標的轉換器不能直接溝通重要的工作參數(shù)，例如實時電流。
LTC3880 / LTC3880-1 結合了雙輸出同步降壓型DC/DC 控制器和擁有通過基于I2C 的PMBus 總線使用全面的電源管理功能，這解決了復雜的電源系統(tǒng)管理問題。PMBus 可用來設定輸出電壓、電壓裕度、開關頻率、排序以及若干其他工作參數(shù)(參見下面“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 還包括通過中斷標志和非易失性存儲器實現(xiàn)廣泛的故障記錄功能，非易失性存儲器是一種“黑匣子”記錄器，存儲了在故障發(fā)生之前瞬間轉換器的工作狀態(tài)。
數(shù)字電源系統(tǒng)管理的一個主要好處是降低了設計費用，并加速了產(chǎn)品上市。LTC3880 / LTC3880-1 憑借免費提供和可下載的LTpowerPlay™ 開發(fā)軟件，極大地簡化了復雜的多軌系統(tǒng)設計，該開發(fā)軟件是一種基于PC 的全面開發(fā)環(huán)境(參見圖6)。在該環(huán)境中，在線測試(ICT) 和電路板調(diào)試僅需要點擊幾下鼠標就可完成，而無需焊接到“白色導線”定位點中。由于可以使用實時遙測數(shù)據(jù)，所以可以立即得到設計結果，從而有可能預測電源系統(tǒng)故障，并立即采取預防性措施。
也許最重要的是，具備數(shù)字管理功能的DC/DC 轉換器允許設計師開發(fā)“綠色”電源系統(tǒng)，這類系統(tǒng)優(yōu)化了能源利用率，同時滿足系統(tǒng)性能目標(計算速度、數(shù)據(jù)傳輸速率等等)。優(yōu)化可以在負載點、電路板和機架上進行，甚至可以在安裝階段進行，從而降低了基礎設施成本和產(chǎn)品整個壽命期內(nèi)的總體擁有成本。
為了提供最佳性能調(diào)節(jié)，LTC3880 堅持采用精確的基準和溫度補償模擬電流模式控制環(huán)路，以產(chǎn)生嚴格的±0.5% DC 輸出電壓準確度。該模擬控制環(huán)路促成了非常容易的補償，環(huán)路經(jīng)過了校準，以不受工作條件的影響，該環(huán)路還可實現(xiàn)逐周期限流，并產(chǎn)生快速和準確的電壓及負載瞬態(tài)響應，在運用數(shù)字控制的產(chǎn)品中沒有見到與ADC 量化有關的誤差。
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現(xiàn)最高效率。這兩款器件都采用耐熱增強型6mm x 6mm QFN-40 封裝，工作節(jié)溫范圍為-40°C 至105°C (E 級版本) 或-40°C 至125°C (I 級版本)。
模擬控制環(huán)路確保同類最佳的穩(wěn)壓器性能
LTC3880 / LTC3880-1 是數(shù)字可編程以實現(xiàn)無數(shù)功能，這包括輸出電壓和電流限制設定點以及排序?？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，而不會產(chǎn)生數(shù)字控制環(huán)路的量化效應。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。模擬環(huán)路有平滑的斜坡，而數(shù)字環(huán)路有離散的步進，由于量化效應，這可能導致穩(wěn)定性問題、較慢的瞬態(tài)響應、在某些應用中需要更大的輸出電容以及在PWM 控制信號上有更大的輸出紋波和抖動。
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)定時間。此外，由于存在ADC 分辨率有限引起的量化效應，所以數(shù)字控制的瞬態(tài)響應在穩(wěn)定之前有震蕩。圖3 比較了LTC3880 的模擬控制環(huán)路與同類IC 的數(shù)字控制環(huán)路的瞬態(tài)響應。請注意，LTC3880 使用約等于數(shù)字控制器一半的輸出電容，但產(chǎn)生了更干凈的結果。
圖3：在15A 瞬態(tài)負載步進情況下，模擬和數(shù)字控制環(huán)路響應的比較。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，同時實現(xiàn)了卓越得多的穩(wěn)定時間
ANALOG CONTROL LOOP：模擬控制環(huán)路
100mV/DIV：每格100mV
AC-COUPLED：AC 耦合
15A LOAD STEP：15A 負載步進
DIGITAL CONTROL LOOP：數(shù)字控制環(huán)路
LTC3880 設計為，當修改其配置文件時，環(huán)路增益不變。當修改輸出電壓或電流限制時，瞬態(tài)響應不受影響，而且補償環(huán)路無需要調(diào)節(jié)。
PMBus 控制
LTC3880 / LTC3880-1 具備數(shù)字設定和回讀，以實時控制和監(jiān)視關鍵負載點轉換器的功能。配置可通過I2C 串行接口下載至內(nèi)部EEPROM，凌力爾特基于PC 的LTpowerPlay 開發(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 開發(fā)平臺。配置文件存儲在內(nèi)置的非易失性存儲器中以后，控制器自主加電，而不會增加主機負擔。配置電路板是一項簡單的任務，完全不需要開發(fā)固件。
圖4：用LTpowerPlay 軟件建立完整的開發(fā)平臺非常容易
USB to PMBus Controller：USB 至PMBus 控制器
Demo Board：演示電路板
Socketed Programming Board：有插座的設置電路板
Customer Board with LTC3880/LTC3880-1：采用LTC3880 / LTC3880-1 的客戶電路板
Demonstration Kit：演示套件
Or：或
Socketed Programming：通過插座設置
In-circuit Serial Programming：在線串行設置
PMBus 功能包括可設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償電流限制門限
l 開關頻率
l 過壓和欠壓高速監(jiān)察器門限
l 輸出電壓接通/斷開時間延遲
l 輸出電壓上升/下降時間
l 輸入電壓接通/斷開門限
l 輸出軌接通/斷開
l 輸出電壓軌高裕度/低裕度
l 響應內(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)
組成一個多軌系統(tǒng)
大型多軌電源電路板一般由一個隔離式中間總線轉換器組成，將來自背板的48V、24V 或其他相對較高的電壓轉換成較低的中間總線電壓(IBV)，一般為12V，該中間總線電壓被分配到PC 板卡各處。
單獨的負載點(POL) DC-DC 轉換器將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 轉換器PMBus 器件控制一個多軌系統(tǒng)。負載點DC/DC 轉換器可以是自含式模塊、單片器件，或者由DC/DC 控制器IC 以及有關的電感器、電容器和MOSFET 組成解決方案。這些軌通常對排序、電壓準確度、過流和過壓限制、裕度調(diào)節(jié)以及監(jiān)察有嚴格的要求。
圖5：用來控制15 個或更多軌的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
電源管理的復雜性越來越高。具有超過30 個軌的電路板并非不常見。這類電路板上組件排列已經(jīng)相當密集，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或系統(tǒng)主處理器進行修改。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)壓器無縫配合，以實現(xiàn)復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、實現(xiàn)控制并報告遙測數(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)量的電源設定加電和斷電排序都非常容易。利用基于時間的算法，用戶能以任何順序和簡單的可編程延遲動態(tài)地對軌的接通和斷開排序。利用單線SHARE_CLK 總線以及一個或多個雙向通用IO (/GPIO) 引腳，也可以跨多個芯片排序。這極大地簡化了系統(tǒng)設計，因為多個軌能以任何順序排序。還可以在以后增加額外的PMBus 芯片，而不必擔心系統(tǒng)限制，例如連接器引腳數(shù)量有限等。PMBus 支持多個地址，從而在同一條I2C 總線上允許連接超過100 個獨特的器件。
軌接通的排序可以由響應各種條件而觸發(fā)。例如，當中間總線電壓超過所設定的門限(VIN(ON)) 時，LTC3880 和LTC2978 可以自動排序?；蛘?，軌接通排序可以由響應RUN/CONTROL 引腳的上升沿而啟動。軌接通排序還可以由PMBus 命令啟動。
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相關性。例如，可以對系統(tǒng)進行配置，以使一個軌上的故障可以啟動任何數(shù)量軌的停機。如果將故障響應配置為“立即斷開、不進行重試”，而且發(fā)生了一個故障，那么主處理器就必須采取行動，以使這些軌重啟?；蛘?，如果故障響應被設定為“立即斷開、無限重試”，而且發(fā)生了一個故障，那么斷開的軌就嘗試以用戶可編程的延遲和打嗝模式自主加電。故障響應還可以設定為“忽略不計”，在這種情況下響應故障時，/ALERT 引腳被拉低，以提醒主處理器出現(xiàn)了問題，但是電源繼續(xù)給負載供電。/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，以實現(xiàn)基于事件的排序。
LTpowerPlay 開發(fā)系統(tǒng)
基于PC 的LTpowerPlay 軟件開發(fā)系統(tǒng)全面支持LTC3880 的控制功能，這允許設計師實時修改所有凌力爾特PMBus 產(chǎn)品的配置值，而無需手動給電路板更換連接線。圖6 顯示了工作中的LTpowerPlay，它控制了多個器件的多種功能，例如輸出電壓、保護限制和接通/斷開斜坡。其中還顯示了一些波形，包括多個軌的排序和遙測圖。引起問題的軌用紅色顯示，任何受到影響的軌都用黃色表示，以此指示故障情況。
圖6：復雜的多軌電源系統(tǒng)得到了簡化。LTpowerPlay 使你能隨時實現(xiàn)全面的電源控制
LTpowerPlay 是免費提供的，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)。
結論
LTC3880 / LTC3880-1 結合了同類最佳的模擬開關穩(wěn)壓器、精確的數(shù)據(jù)轉換和靈活的數(shù)字接口，可實現(xiàn)無與倫比的高性能。多個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 軟件開發(fā)系統(tǒng)支持所有凌力爾特的PMBus 產(chǎn)品。
對模擬電源的數(shù)字控制使設計師能讓系統(tǒng)快速進入正常工作狀態(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。使用幾條標準PMBus 命令，就可以非常容易地進行生產(chǎn)裕度測試。調(diào)試也得到了簡化，因為可以通過該總線傳遞軌狀態(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間以及導致該故障的歷史數(shù)據(jù)。這些數(shù)據(jù)可用來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，或用來改善未來產(chǎn)品的設計。功耗數(shù)據(jù)可用來實時降低總體功耗。
客戶需要越來越復雜的電路板，在這一需求的驅動下，數(shù)字電源成為一個快速增長的領域。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。電路板設計師現(xiàn)在擁有了簡化流程、快速為市場提供同類最佳性能的工具。