数字电源管理可在改善系统性能的同时又可降低能源成本

凌力尔特公司
混合信号产品
设计经理
Andy Gardner

今天的网络设备设计师面临着开发时间迅速缩短和成本受到严格限制的压力，但是人们仍然期望他们能突破性能限制，并增加功能。越来越多的网络系统功能需要增加 ASIC 和处理器，而每个 ASIC 和处理器都需要几种电压轨，从而导致出现了具有几十种轨电压的线路卡。电压轨如此之多带来的挑战是，优化硬件利用率，以最大限度地降低总体功耗。

为了满足这种需求，数字电源管理作为复杂的高可靠性应用之关键组件正在快速出现。数字电源管理允许通过基于PC的软件工具，高效率地对复杂的多轨系统进行调试，从而可避免耗费大量时间更改硬件。相比于传统的硬件 ECN 方法，基于软件的线路内测试 (ICT) 以及电路板开发与运行状况检验工作大为简化，这是因为固件变更可在 PC 上完成，而无需接触电路板。数字电源管理为设计师提供了实时遥测数据和故障记录，从而能实现电源系统故障的快速诊断，并迅速采取纠正行动。

也许最有意义的是，具有数字管理功能的 DC/DC 转换器允许设计师开发"绿色"电源系统，这类电源系统在满足系统性能目标 (计算速度、数据传输速率等等) 的同时，还能优化能源利用率。优化可以在负载点、电路板和机架上，甚至在安装阶段进行，从而同时降低了基础设施成本和产品在整个寿命期内的总体拥有成本。

本文探讨了在网络交换机和路由器、基站和服务器、以及工业和医疗设备中，怎样通过使用 LTC2974 四通道数字电源管理 IC 来改善性能、可靠性和能效。

图 1：具备 EEPROM 的四通道电源控制器 (仅显示了一个通道)
PMBus INTERFACE：PMBus 接口
TO/FROM OTHER DEVICES：至/自其他器件
TO uP RESETB INPUT：至微处理器的复位 B 输入
WATCHDOG TIMER INTERRUPT：看门狗定时器中断信号
DC/DC CONVERTER：DC/DC 转换器
* SOME DETIALS OMITTED FOR CLARITY：* 为清晰起见，省略了一些细节
ONLY ONE OF FOUR CHANNELS SHOWN：仅显示了 4 个通道之中的 1 个

**LTC2974 MAY ALSO BE POWERED DRIECTLY FROM EXTERNAL 3.3V SUPPLY
** LTC2974 也可以直接由外部 3.3V 电源供电

对任何数量的电源排序；随意增加电源

LTC2974 简化了任何数量电源的排序。通过使用一种基于时间的算法，用户能以任何顺序、动态地为电源的接通和断开排序。利用单线共享时钟总线以及一个或多个双向故障引脚也可以跨多个 LTC2974 排序 (参见图 2)。这种方法极大地简化了系统设计，因为通道能按照任何顺序排序，而不管由哪一个 LTC2974 提供控制。任何时间都可增加额外的 LTC2974，而不必担心系统限制，例如子卡连接器引脚供应受限。

图 2：仅用两条连接，就可以无缝地级联多个 LTC2974

SEQUENCE SUPPLIES UP IN ANY ORDER：以任何顺序为电源加电排序
INdivIDUAL MARGINING FOR ALL SUPPLIES：所有电源都可以单独进行裕度调节
SEQUENCE SUPPLIES DOWN IN ANY ORDER：以任何顺序为电源断电排序
0.5V/div：每格 0.5V
AC-COUPLED：AC 耦合

加电排序可由各种条件响应触发。例如，当下游 DC/DC POL 转换器的中间总线电压超过特定接通电压时，LTC2974 就可以自动排序。或者，接通排序可以由控制引脚输入的上升或下降沿启动。该器件还可提供响应故障情况的立即断开或断开排序。排序还可以由简单的 I2C 命令启动。LTC2974 支持这些条件的任意组合。

坚固的系统需要通用故障管理

双向故障引脚可用来建立通道之间故障响应的相关性。例如，如果发生短路，那么一个或多个通道的接通排序可以终止。电压和电流监察器的限制门限和响应时间的过大和过小值都是可编程的。此外，还可监视输入电压、芯片温度和 4 个外部二极管的温度。LTC2974 可以设定为，如果这些量之中的任意一个超过了它们的过大或过小值的限制，那么 LTC2974 就以若干种方式做出响应，包括立即锁断、抗尖峰干扰锁断和具重试功能的锁断。

还可用集成的看门狗定时器来监视外部微控制器。有两种超时时间间隔可用：第一次看门狗时间间隔和接续时间间隔。这使得有可能在一确定电源良好信号以后，就为微控制器规定较长的超时时间间隔。LTC2974 可以配置为，如果发生看门狗故障，就使微控制器在预先确定的时间长度内处于复位状态，之后重新确定电源良好输出。

利用准确的电压监视来改善制造良率

随着电压降至低于 1.8V，很多现成有售的模块在随温度变化满足输出电压准确度的要求方面都会遇到麻烦。现在，低于 ±10mV 的绝对准确度要求是常见的，从而必须在制造过程中微调输出电压，这是一个耗费大量时间的过程。

原始设备制造商 (OEM) 必须给测试留出裕度，以确保面对不断漂移的轨电压，交付可靠的系统，这可能导致极大地影响制造良率。解决这一问题有一种好得多的办法，即接受电源模块不准确这个现实，使系统能在现场自我微调。LTC2974 的数字伺服环路从外部微调该模块的输出电压，使其准确度随温度变化好于 ±0.25% (参见图 3)，从而最大限度地减少了轨电压漂移。除了改善制造良率，该数字伺服环路避开了模块准确度限制，使给电源模块供电变得更容易了。