多相能力降壓型控制器最大限度地減小解決方案尺寸和成本

LTC?3883/-1 是一款具有數(shù)字電源系統(tǒng)管理、高性能模擬控制環(huán)路、片內(nèi)驅(qū)動(dòng)器、遠(yuǎn)端輸出電壓檢測(cè)和電感器溫度檢測(cè)功能的通用、單通道、多相能力降壓型控制器。為了最大限度地減小解決方案尺寸和成本，LTC3883/-1 具有凌力爾特正在申請(qǐng)專利的自動(dòng)校準(zhǔn)例程，用于測(cè)量電感器的 DC 電阻，以便在測(cè)量電感器兩端的逐周期電流時(shí)獲得準(zhǔn)確的輸出電流測(cè)量值 （無(wú)損 DCR 檢測(cè)）。

數(shù)字電源管理

在當(dāng)今的數(shù)據(jù)中心系統(tǒng)中，挑戰(zhàn)在于通過(guò)在系統(tǒng)的各個(gè)級(jí)別（包括負(fù)載點(diǎn)、電路板、機(jī)架甚至安裝級(jí)別）盡可能提高效率來(lái)“走向綠色”。例如，通過(guò)將工作流路由到盡可能少的服務(wù)器，關(guān)閉當(dāng)時(shí)不需要的服務(wù)器，可以降低整體系統(tǒng)功耗。要做到這一點(diǎn)并滿足系統(tǒng)性能目標(biāo)（計(jì)算速度、數(shù)據(jù)速率等），唯一的方法是實(shí)施一個(gè)全面的數(shù)字電源管理系統(tǒng)，以監(jiān)控所有級(jí)別的實(shí)時(shí)功耗數(shù)據(jù)。

過(guò)去，設(shè)計(jì)人員使用包括監(jiān)控器、時(shí)序控制器、DAC和ADC在內(nèi)的IC抓包拼湊而成的數(shù)字電源管理解決方案。除了此類解決方案固有的復(fù)雜性外，它們還缺乏易于擴(kuò)展的能力，需要為未來(lái)的系統(tǒng)升級(jí)進(jìn)行大量的前期規(guī)劃。LTC3883/-1 通過(guò)在 DC/DC 控制器中組合所有數(shù)字電源管理功能，消除了這種復(fù)雜性。其結(jié)果是一個(gè)易于使用、強(qiáng)大且靈活的負(fù)載點(diǎn) （POL） 電源管理解決方案。

LTC3883/-1 能夠自主運(yùn)作或通過(guò)一個(gè)業(yè)界標(biāo)準(zhǔn) I 進(jìn)行通信2C串行總線與系統(tǒng)主機(jī)處理器，用于命令、控制和報(bào)告遙測(cè)數(shù)據(jù)。這樣就可以直接從 LTC3883/-1 監(jiān)視關(guān)鍵操作信息，例如實(shí)時(shí)電壓、電流和溫度，這些信息可用于動(dòng)態(tài)優(yōu)化系統(tǒng)性能和可靠性。通過(guò)訪問這些數(shù)據(jù)，可以預(yù)測(cè)電力系統(tǒng)故障并采取預(yù)防或調(diào)解措施。

重要的穩(wěn)壓器參數(shù)（如輸出電壓和電流限值、裕量調(diào)節(jié)電壓、過(guò)壓和欠壓監(jiān)控限值、啟動(dòng)特性以及時(shí)序和故障響應(yīng)）也可以通過(guò)串行總線直接編程，而無(wú)需使用電阻器、定序器和監(jiān)控IC等外部元件。

數(shù)字電力系統(tǒng)管理使快速高效地開發(fā)復(fù)雜的多軌系統(tǒng)成為可能。LTpowerPlay進(jìn)一步簡(jiǎn)化了設(shè)計(jì)?軟件，可實(shí)現(xiàn)基于 PC 的電路板監(jiān)控和參數(shù)調(diào)整。這允許設(shè)計(jì)人員調(diào)試和執(zhí)行在線測(cè)試（ICT），而無(wú)需任何電路板重新布線或組件修改。

功能概述

LTC?3883 / -1 是一款單輸出同步降壓型 DC/DC 控制器，具有集成的功率 FET 柵極驅(qū)動(dòng)器和一個(gè)能夠多相至六相的模擬電流模式控制環(huán)路。該頻率可在 250kHz 至 1MHz 范圍內(nèi)設(shè)定，如果一個(gè)外部振蕩器可用，則內(nèi)部鎖相環(huán)使 LTC3883/-1 能夠與相同范圍內(nèi)的任何頻率同步。

圖2.高效率 500kHz 1.8V 降壓轉(zhuǎn)換器，具有 DCR 檢測(cè)功能。

LTC3883/-1 具有優(yōu)化的柵極驅(qū)動(dòng)器死區(qū)時(shí)間，以最大限度地減小開關(guān)損耗和體二極管導(dǎo)通，從而在所有操作條件下保持高效率。它支持寬V型在范圍為 4.5V 至 24V 和 A V外范圍為 0.5V 至 5.5V。精密基準(zhǔn)、12 位 DAC 和溫度補(bǔ)償模擬電流模式控制環(huán)路可實(shí)現(xiàn) ±0.5% DC 輸出電壓精度，集成的高端輸入電流檢測(cè)放大器可實(shí)現(xiàn)電感 DCR 的精確輸入電流檢測(cè)和自動(dòng)校準(zhǔn)。

16位數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)提供輸入和輸出電壓及電流、占空比和溫度的數(shù)字回讀。重要測(cè)量值的峰值可由用戶回讀。關(guān)鍵控制器參數(shù)可通過(guò) PMBus 進(jìn)行編程。故障記錄功能包括一個(gè)中斷標(biāo)志和一個(gè)非易失性存儲(chǔ)器中的黑匣子記錄器，用于存儲(chǔ)故障發(fā)生前的工作條件。

LTC3883 的特點(diǎn)是片內(nèi) LDO 穩(wěn)壓器用于提高集成度，而 LTC3883-1 則由一個(gè)外部 5V 偏置電壓供電以提高效率。兩款器件均采用耐熱性能增強(qiáng)型 32 引腳 5mm × 5mm QFN 封裝，工作結(jié)溫范圍為 –40°C 至 105°C（E 級(jí)）或 –40°C 至 125°C 工作結(jié)溫（I 級(jí)）。

PMBus控制

LTC3883/-1 PMBus 接口允許對(duì)關(guān)鍵電源參數(shù)進(jìn)行數(shù)字編程以及重要實(shí)時(shí)條件的回讀。參數(shù)配置可以使用凌力爾特的 LTpowerPlay 開發(fā)軟件下載到內(nèi)部 EEPROM。圖 5 顯示了基于 PC 的 LTpowerPlay 開發(fā)平臺(tái)，該平臺(tái)具有 USB 到 I2C/SMBus/PMBus 適配器。一旦根據(jù)需要配置了器件，它將在沒有主機(jī)控制的情況下自主運(yùn)行，因此不需要進(jìn)一步的固件或微控制器。

圖3.使用LTpowerPlay軟件的完整開發(fā)平臺(tái)。

PMBus 支持對(duì)以下電源參數(shù)進(jìn)行編程：

輸出電壓和裕量電壓

基于電感溫度的溫度補(bǔ)償電流限制閾值

開關(guān)頻率

過(guò)壓和欠壓高速監(jiān)控器閾值

輸出電壓開/關(guān)時(shí)間延遲

輸出電壓上升/下降時(shí)間

輸入電壓開/關(guān)閾值

輸出軌開/關(guān)

輸出軌邊際高/邊際低

對(duì)內(nèi)部/外部故障的響應(yīng)

故障傳播

PMBus 允許用戶監(jiān)控以下電源條件：

輸出/輸入電壓

輸出/輸入電流

內(nèi)部芯片溫度

外部電感器溫度

部件狀態(tài)

故障狀態(tài)

系統(tǒng)狀態(tài)

峰值輸出電流

峰值輸出電壓

內(nèi)部/外部峰值溫度

故障日志狀態(tài)

模擬控制回路

LTC3883/-1 可針對(duì)多種功能進(jìn)行數(shù)字編程，包括輸出電壓、電流限制設(shè)定點(diǎn)和排序。然而，控制環(huán)路仍然是純模擬的，提供最佳的環(huán)路穩(wěn)定性和瞬態(tài)響應(yīng)，而沒有數(shù)字控制環(huán)路的量化效應(yīng)。

圖4比較了帶模擬反饋控制環(huán)路的控制器IC與帶數(shù)字反饋控制環(huán)路的控制器IC的斜坡曲線。模擬環(huán)路具有平滑斜坡，而數(shù)字環(huán)路具有離散步進(jìn)，這可能導(dǎo)致穩(wěn)定性問題、較慢的瞬態(tài)響應(yīng)、某些應(yīng)用中更需要的輸出電容，以及由于量化效應(yīng)而導(dǎo)致PWM控制信號(hào)上的更高輸出紋波和抖動(dòng)。

圖4.LTC3883 的模擬控制環(huán)路與數(shù)字控制環(huán)路的關(guān)系。模擬環(huán)路具有平滑斜坡，而數(shù)字環(huán)路具有離散步進(jìn)，這可能導(dǎo)致穩(wěn)定性問題、較慢的瞬態(tài)響應(yīng)、某些應(yīng)用中更需要的輸出電容，以及由于量化效應(yīng)而導(dǎo)致PWM控制信號(hào)上的更高輸出紋波和抖動(dòng)。

電流模式控制環(huán)路可產(chǎn)生最佳的環(huán)路穩(wěn)定性、逐周期電流限制以及對(duì)線路和負(fù)載瞬變的快速準(zhǔn)確響應(yīng)。簡(jiǎn)單的環(huán)路補(bǔ)償與工作條件和轉(zhuǎn)換器配置無(wú)關(guān)。支持連續(xù)、不連續(xù)和突發(fā)模式電感電流控制。?

電感直流電阻自動(dòng)校準(zhǔn)

使用電感的直流電阻而不是檢測(cè)電阻來(lái)檢測(cè)DC/DC轉(zhuǎn)換器的輸出電流有幾個(gè)優(yōu)點(diǎn)，包括降低功率損耗，降低電路復(fù)雜性和成本。但是，額定標(biāo)稱電感DCR與實(shí)際電感DCR之間的任何差異都會(huì)導(dǎo)致測(cè)量輸出電流和峰值電流限值成比例誤差。

電感器 DCR 相對(duì)于其標(biāo)稱值的容差可由 LTC3883/-1 使用 Linear 正在申請(qǐng)專利的算法進(jìn)行測(cè)量和補(bǔ)償。只需通過(guò)PMBus命令完成簡(jiǎn)單的180ms校準(zhǔn)程序，同時(shí)轉(zhuǎn)換器處于穩(wěn)態(tài)狀態(tài)，負(fù)載電流足夠大，可以進(jìn)行準(zhǔn)確的輸入和輸出電流測(cè)量。

電感器溫度由 LTC3883/-1 精確測(cè)量，以在整個(gè)工作溫度范圍內(nèi)保持準(zhǔn)確的電流回讀。LTC3883 動(dòng)態(tài)模擬從外部溫度傳感器到電感器內(nèi)核的溫升，以考慮電感器的自發(fā)熱效應(yīng)。這種正在申請(qǐng)專利的算法簡(jiǎn)化了外部溫度傳感器的放置要求，并補(bǔ)償了從電感磁芯到主散熱器的顯著穩(wěn)態(tài)和瞬態(tài)溫度誤差。

多個(gè) IC 系統(tǒng)

大型多軌電源板通常由一個(gè)隔離的中間總線轉(zhuǎn)換器組成，該轉(zhuǎn)換器將背板的–48V轉(zhuǎn)換為較低的中間總線電壓（IBV），通常為12V，分布在PC卡周圍。單個(gè)負(fù)載點(diǎn) （POL） DC-DC 轉(zhuǎn)換器將 IBV 降壓至所需的電源軌電壓，通常范圍為 0.5V 至 5V，輸出電流范圍為 0.5A 至 120A。這些電路板人口稠密，數(shù)字電源系統(tǒng)管理電路無(wú)法占用太多的 PC 板空間。

高性能 LTC PMBus 控制器（如 LTC3883/-1）和配套 IC（如 LTC2978）高效、無(wú)縫地協(xié)同工作，以滿足當(dāng)今復(fù)雜電路板的嚴(yán)格數(shù)字電源管理要求。其中包括排序、電壓精度、過(guò)流和過(guò)壓限制、裕量調(diào)節(jié)、監(jiān)控和故障控制。這些器件的任意組合使得時(shí)序設(shè)計(jì)成為適用于任意數(shù)量電源的簡(jiǎn)單過(guò)程。通過(guò)使用基于時(shí)間的算法，用戶可以通過(guò)簡(jiǎn)單的可編程延遲以任何順序動(dòng)態(tài)地對(duì)電源軌的打開和關(guān)閉進(jìn)行排序。使用1線SHARE_CLK總線和一個(gè)或多個(gè)雙向通用IO（GPIO）引腳可實(shí)現(xiàn)跨多個(gè)芯片的時(shí)序控制。

LTpowerPlay軟件

LTpowerPlay軟件可以輕松同時(shí)控制和監(jiān)控多個(gè)支持線性PMBus的設(shè)備。通過(guò)將系統(tǒng)參數(shù)下載到 LTC3883/-1 的內(nèi)部 EEPROM 來(lái)實(shí)時(shí)修改 DC/DC 控制器配置。這允許在軟件中調(diào)整系統(tǒng)配置，而不是訴諸交換組件和手動(dòng)重新布線板的繁瑣任務(wù)，從而縮短了設(shè)計(jì)開發(fā)時(shí)間。圖5顯示了如何控制輸出電壓、OV/UV保護(hù)限值和開/關(guān)斜坡。波形顯示輸出電壓的軟啟動(dòng)和軟停止。還顯示了警告和故障條件。

圖5.電力系統(tǒng)得到簡(jiǎn)化。LTpowerPlay讓完整的電源控制觸手可及。

結(jié)論

LTC3883 / -1 將高性能模擬開關(guān)調(diào)節(jié)與精準(zhǔn)數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換和一個(gè)靈活的數(shù)字接口相結(jié)合。多個(gè) LTC3883 可與其他器件并聯(lián)使用，以輕松創(chuàng)建優(yōu)化的多軌數(shù)字電源系統(tǒng)。

所有線性PMBus產(chǎn)品均由LTpowerPlay軟件開發(fā)系統(tǒng)提供支持，該系統(tǒng)可幫助電路板設(shè)計(jì)人員快速調(diào)試系統(tǒng)。LTpowerPlay可用于監(jiān)視、控制和調(diào)整電源電壓、限值和排序。使用幾個(gè)標(biāo)準(zhǔn) PMBus 命令可以輕松執(zhí)行生產(chǎn)裕度測(cè)試。將 LTC3883/-1 與其他線性 PMBus 產(chǎn)品結(jié)合使用是將數(shù)字控制電源快速推向市場(chǎng)的最佳方式。

審核編輯：郭婷