数字电源管理

今日数据中心系统的挑战，是需要尽可能提高系统所有层面的效率，其中包括负载点、电路板、机架甚至安装层面等，以达到更为环保的功效。例如，将工作流传送给尽可能少的服务器、关闭目前不需要的服务器等，以此降低系统的总体功耗。要达到此点，并达到系统性能目标 (计算速度、数据传输速率等) 的唯一方式，是采用一个全面性的数字电源管理系统，以实时监视所有层面的功耗数据。

过去，设计师以一堆混杂的 IC 拼凑数字电源管理解决方案，这些 IC 包括监控器、排序器、DAC 和 ADC。这类解决方案除了既有有的复杂性以外，更不易扩展，需要为未来的系统升级进行大量前期规划。而凌力尔特的LTC3883 / LTC3883-1 DC/DC 控制器整合了所有数字电源管理功能，消除了上述复杂性，因此可构成一易用、坚固和弹性的负载点 (POL) 电源管理解决方案。

LTC3883 / LTC3883-1 是一款通用、单信道、多相 (PolyPhaseR)、降压控制器，具有数字电源系统管理、高性能模拟控制回路、内建驱动器、远程输出电压检测和电感器温度感测功能。为将解决方案尺寸和成本缩减至最小，LTC3883 / LTC3883-1 采用了该公司正在申请专利的自动校准程序以测量电感 DC 电阻，在跨电感两端逐周期测量电流时 (无损耗 DCR 感测) 得到准确的输出电流测量值。LTC3883/-1 基于广为使用的双信道 LTC3880/-1。

LTC3883 / LTC3883-1 可以自主工作或透过业界标准的 I2C 串行总线，与系统主处理器通讯，以获取命令、实施控制并报告遥测数据。这使其可直接从 LTC3883 / LTC3883-1 监视关键的工作信息，例如实时电压、电流和温度，这些信息可用来动态优化系统性能和可靠性。透过这些信息的取得，将能预测电源系统故障，并采取预防性或调解措施。

重要的稳压器参数 (例如输出电压和电流限制、裕度控制电压、过压和欠压监察限制、启动特性和时序、以及故障响应) 都可以透过该串行总线直接设定，而无需采用电阻、排序器、监视 IC 等外部组件。

由于有了数字电源系统管理，所以能快速、高效地开发复杂的多轨系统。LTpowerPlay 软件使设计工作可进一步简化作业，并能透过 PC 监视电路板和调节参数。这也使设计师能进行调试和在线测试 (ICT)，而无需重新为电路板布线或更换组件。

图一 : 采用 LTC3883 实现的数字电源系统管理

图二 : 具DCR 检测的高效率 500kHz 1.8V 降压转换器

图三 : 采用 LTpowerPlay 软件的完整开发平台

特色概述

LTC3883 / LTC3883-1 是一款单输出同步降压 DC/DC 控制器，其整合了电源 FET 闸极驱动器和一个模拟电流模式控制回路，该回路能以 6 个相位的 PolyPhase 模式工作。频率可以在 250kHz 至 1MHz 范围内设定，如果有外部振荡器可用，那么内部锁相回路能使 LTC3883 / LTC3883-1 与相同范围内的任何频率同步。

LTC3883 / LTC3883-1 具有优化的闸极驱动器死区时间(dead time)，以最大限度地降低开关损耗和体二极管传导，从而在所有工作条件下保持高效率。该组件支持 4.5V 至 24V 的宽 VIN 范围和 0.5V 至 5.5V 的 VOUT 范围。精准的参考、12 位 DAC 和温度补偿模拟电流模式控制回路产生 ±0.5% 的 DC 输出电压精准度，整合式的高压侧输入电流感测放大器允许精准的输入电流感测和电感 DCR 自动校准。

16 位数据撷取系统提供输入和输出电压及电流、工作周期比和温度的数字回读。用户可以回读重要参数的峰值。关键控制器参数可以透过 PMBus 设定。故障记录包括非挥发性内存中的中断标记和黑盒子记录器，该内存会储存发生故障之前瞬间的工作状态。

LTC3883 的特点是内建了一个 LDO 稳压器，以提高整合度，而 LTC3883-1 用外部 5V 偏置电压供电以提高效率。这两款组件都采用耐热加强型 32 接脚 5mm x 5mm QFN 封装，工作接面温度范围或者为 -40°C 至 105°C (E 级) 或者为 -40°C 至 125°C (I 级)。

PMBus 控制

LTC3883 / LTC3883-1 PMBus 接口允许以数字方式设定关键的电源参数以及重要的实时状态数据回读。运用凌力尔特的 LTpowerPlay 开发软件，可以将配置参数下载到内部 EEPROM 中。图 5 显示了基于 PC 的 LTpowerPlay 开发平台，该平台具备 USB 至 I2C / SMBus / PMBus 适配器。组件一旦按照所需配置完毕，就可自主工作，而无需主机控制，因此无需额外的韧体或微控制器。

通过 PMBus 可以设定以下电源参数：

PMBus 使用户能监视以下电源状态：

模拟控制回路

LTC3883 / LTC3883-1 的众多功能都是数字可程序设计的，包括输出电压、电流限制设定点和排序。不过，控制回路仍然是纯模拟的，这样就不会有数字控制回路的量化效应，从而提供最佳回路稳定性和瞬时响应。

图 4 比较的是具有模拟回授控制回路的控制器 IC 和具有数字回授控制回路的控制器 IC 之上升曲线。模拟回路是平滑上升的，而数字回路有一个个的步进，由于量化效应，这可能导致稳定性问题、更慢的瞬时响应、在有些应用中需要更大的输出电容以及在 PWM 控制讯号上有更大的输出涟波和抖动。

电流模式控制回路产生最佳回路稳定性、逐周期电流限制以及快速和准确的电压及负载瞬时响应。简单的回路补偿不受工作状态和转换器配置的影响。该组件还支持连续、断续和突发模式 (Burst Mode) 电感器电流控制。

图四 : LTC3883 的模拟控制回路与数字控制回路的对比。模拟回路具有平滑的上升曲线，而数字回路有一个一个的步进，由于量化效应，这可能导致稳定性问题、更慢的瞬时响应、在有些应用中需要更大的输出电容以及在 PWM 控制讯号上有更大的输出涟波和抖动。

电感 DCR 的自动校准

利用电感的 DC 电阻而非感测电阻来感测 DC/DC 转换器的输出电流，是具有几大优势的，包括更低的功率损耗、电路复杂性和成本。不过，如果规定的标称电感 DCR 和实际的电感 DCR 之间有任何差别，都会在所测得的输出电流以及峰值电流限制中导致成比例的误差。

运用凌力尔特正在申请专利的算法，LTC3883 / LTC3883-1 可以测量并补偿电感 DCR 与其标称值之间的容差。只要在该转换器处于稳定状态、且具有足够大的负载电流以准确测量输入和输出电流时，透过 PMBus 命令完成一个简单的 180ms 校准程序即可。

LTC3883 / LTC3883-1 可准确测量电感器温度，以在整个工作温度范围内保持精准的电流回读。LTC3883 可动态地建立从外部温度传感器到电感器磁芯的温度上升模型，以了解电感器的自热影响。这项正在申请专利的算法简化了外部温度传感器的要求，实现了极其稳定的状态，并补偿了从电感磁芯到主散热片的瞬时温度误差。

多 IC 系统

大型多轨电源板通常由隔离式中间总线转换器组成，该转换器将来自背板的 -48V 电压转换成更低的中间总线电压 (IBV)，典型值为 12V，该中间总线电压被分配到 PC 板的各处。单独的负载点 (POL) DC-DC 转换器将 IBV 降至所需的轨电压，通常为 0.5V 至 5V，同时输出电流的范围为 0.5A 至 120A。这类电路板排列很密集，数字电源系统管理电路不能占用太多 PC 板面积。

凌力尔特的高性能 PMBus 控制器 (例如: LTC3883 / LTC3883-1) 和伴随 IC (例如: LTC2978) 一起操作，可以高效率且无缝地满足今日复杂电路板严格的数字电源管理要求。这些要求包括排序、电压准确度、过流和过压限制、裕度控制、监视以及故障控制。对任何数量的电源而言，这些组件的任意组合都能使排序设计变得非常容易。运用基于时间的算法，用户能以简单的可程序设计延迟，以任意顺序对轨的导通和断开排序。运用单线 SHARE_CLK 总线以及一个或多个双向通用 IO (/GPIO) 接脚，可以跨多个芯片排序。

LTpowerPlay 软件

LTpowerPlay 软件使同时控制和监视多个支持 PMBus 的凌力尔特组件变得容易了。将系统参数下载到 LTC3883 / LTC3883-1 的内部 EEPROM 中，就可以实时修改该 DC/DC 控制器的配置。此允许用软件调整系统配置，不必完成要求严苛的任务，例如更换组件、手动地给电路板重新布线等，因此节省了设计开发时间。图 5 显示的是如何控制输出电压、OV/UV 保护限制以及接通/断开斜坡。波形显示输出电压的软启动和软停止。图中也显示了警报和故障情况。

图五 : 电源系统得到简化。LTpowerPlay 使全面的电源控制触手可及

结论

LTC3883 / LTC3883-1 兼有高效能模拟开关调节和精准的数据转换，以及弹性的数字接口。多个 LTC3883 可以与其他组件并联使用，以方便地建立优化的多轨数字电源系统。

LTpowerPlay 软件开发系统支持所有凌力尔特 PMBus 产品，这有助于电路板设计师快速调试系统。LTpowerPlay 可用来监视、控制和调节电源电压、限制值及排序。只用几个标准 PMBus 命令，就可以非常容易地进行生产裕度测试。整合 LTC3883 / LTC3883-1 和其他凌力尔特 PMBus 产品，是快速将数字控制的电源导向市场的最佳途径。