以下一代資料中心交換器使用的最新ASIC為例;它們為傳輸100Mbit/s至100Gbit/s乙太網路和32Gbit/s光纖通道流量的連接埠實現了更彈性的介面。這使得能夠把較高密度的100G埠放入單個機架單元中。除此之外,這些20nm以下製程還允許把超過20Mbyte的記憶體置於ASIC本身,從而可能免除增設外部記憶體的必要,並節省電路板空間與成本。

然而,此類通訊設備的系統架構設計者正被迫提高其系統的資料輸送量和性能,同時還必須為其增加功能和特性。同時,他們也面臨著降低系統總功耗的壓力。例如,一個典型的挑戰是透過重新安排工作流程,將作業轉移到未充份利用的伺服器上,從而讓其他伺服器關機,以此降低總功耗。為了滿足這些需求,知道終端使用者設備的功耗是至關重要的。

於是,一個設計得當的數位電源管理系統必須能為使用者提供功耗資料,從而智慧性地做出能量管理決策。這是對資料中心的一項關鍵要求,在此,負責控制內部環境溫度的HVAC系統所需電力成本是很重要的。在現實中,這一類成本每個月可能高達幾百萬美元。

系統挑戰

當數位電源正確使用時,它能夠降低裝置功耗、縮短產品上市時間、擁有卓越的穩定性和暫態響應,並能提高整體系統的可靠性。

DPSM的一項主要優勢是能夠降低設計成本和加快產品上市時程。採用一種具有直覺式圖形使用者介面(GUI)的綜合開發環境,即可以高效地開發複雜的多電壓軌系統。另外,此類系統還可利用GUI而不是在「白色導線」固定點上進行焊接來進行更改,從而簡化了內電路測試(ICT)和電路板除錯作業。

另一個好處是由於有即時遙測資料可用,因此可預測電源系統的故障,並採取預防措施。最重要的也許是具有數位管理功能的DC/DC轉換器能讓設計者開發「綠色」電源系統,這種系統可滿足目標性能要求(運算速度、資料速率等),而且在負載點、電路板、機架甚至安裝級的能量消耗極少,從而降低了基礎設施的成本以及產品整個生命週期的擁有權總成本。

許多電訊和資通訊系統透過48V背板供電。一般將該電壓降壓至較低的中間匯流排電壓(通常為12V至3.3V),以便為系統內部的電路板機架供電。然而,這些電路板上的大多數子電路或IC必須在1V以下到3.3V的電壓範圍和幾十毫安培至幾百安培的電流範圍內工作。因此,為了從中間匯流排電壓降壓至子電路或IC所需理想電壓,負載點(PoL) DC/DC轉換器是必要的。這些電源軌對於排序、電壓準確度、裕度調節和監控均有嚴格的要求。

在一個電訊系統中會有多達50個PoL電壓軌,而且系統架構設計者需要一種相對於其輸出電壓、排序和最大可容許電流來管理這些電壓軌的簡單方法。某些處理器要求其I/O電壓在其核心電壓之前升壓,另一種情況是某些ASIC和DSP要求其核心電壓的升壓先於其I/O電壓。斷電排程也是必要的。設計者需要一種進行變更以最佳化系統性能和為每個DC/DC轉換器儲存特定配置的簡易方式,旨在簡化設計工作。

此外,為了避免昂貴的FPGA、ASIC和DSP遭遇過電壓的可能性,高速比較器必須監測每個電源軌的電壓位準,並在某個電源軌超出規定的安全工作限制範圍時立即採取保護措施。在數位供電系統中,當出現某種故障時可透過PMBus警示線路通知主機,並且能夠把相關的電壓軌關斷以保護FPGA等受電元件。實現這種保護等級需要合理的準確度以及大約幾十微秒的響應時間。

為了因應這些挑戰,凌力爾特科技(Linear Technology)決定開發PSM產品線,包括具整合型功率FET閘極驅動器和完整電源管理功能(透過基於I2C的PMBus進行存取)的同步降壓DC/DC控制器。這些功能包括高精度基準和可提供±0.5% DC準確度的溫度補償類比電流模式控制迴路、經校準而不受工作條件影響的簡易型補償、逐週期電流限制、快速和準確的均流以及針對線路和負載暫態的響應,而不存在任何與ADC量化相關的誤差——這一類誤差是採用「數位」控制的產品中所常見的。

有些產品中還內建16位元資料擷取系統,可提供輸入/輸出電壓與電流、工作週期和溫度的數位回讀功能。此外,還包括一個透過中斷標記與「黑盒子」記錄器(負責儲存發生某種故障前的轉換器工作狀況)實現的故障記錄功能。最後,多電源軌系統的開發工作則藉由凌力爾特的LTpowerPlay開發軟體和GUI介面加以簡化。

針對複雜問題的簡單解決方案

那麼,為了配置一款滿足終端產品需求的數位電源系統管理解決方案,系統架構設計者必須做些什麼呢?主要的目標之一是設計一套系統,以便能夠透過數位通訊匯流排輕鬆地為其實施配置與監控。這將透過使用下面三者之一來實現:I2C、SMBus或PMBus。這些匯流排中的任一種都能啟用隨選遙測功能,以設定、監測、變更和記錄系統內任何PoL轉換器配置的電源參數。該系統的簡化快照如圖1。

20160817 Linear TA31P1 圖1:典型數位電源系統管理系統組態

在該例中可見,PoL轉換器顯示了3種不同的拓撲配置。在該圖的上部,電源系統管理器晶片與傳統的DC/DC轉換器搭配使用。DC/DC轉換器可以是任何拓撲並具有任何整合度,因為它也是電源系統管理器,可透過通訊匯流排對其進行連接、控制和監測。位於該圖中央的PoL轉換器顯示整合度的增加,即DC/DC轉換器內建電源系統管理功能電路(在同一個封裝中)。最後,在圖最下方的PoL轉換器是一款精巧型的模組,它整合了電源系統管理器、DC/DC轉換器以及所有其相關的外部元件於單個IC(凌力爾特將其稱為uModule穩壓器)中。

凌力爾特的uModule DC/DC穩壓器可提供一種同時帶來高功率輸出和DPSM功能的簡單且有效途徑。由於可輕鬆地透過並聯多個uModule穩壓器以提供高電流輸出(各個通道彼此之間的電流匹配準確度標稱值在1%以內),從而降低了產生熱點的可能性。而且,只有其中一個uModule穩壓器必需具備DPSM功能,原因是即使並聯的uModule未內建固有的DPSM,也能提供完整的數位介面。圖2表示LTM4677 (36A DPSM uModule)與3個LTM4650 (50A uModule)彼此並聯的應用電路原理圖。

20160817 Linear TA31P2 圖 2:LTM4677 DPSM模組與3個LTM4650模組的組合,可從一個標定12V輸入提供186A和1V輸出

用於DPSM產品的LTpowerPlay通用型GUI

採用DPSM產品構建的系統具有一項優勢:藉由合適的GUI,以便於與系統內部的每個個別PoL轉換器進行通訊。因此,從一開始凌力爾特就決定開發一款作為完整開發平台的GUI,使其能易於與凌力爾特DPSM產品庫中的所有不同類型產品搭配使用,即基於LTpowerPlay視窗的開發環境。該軟體不僅易於同時控制和監控多個支援PMBus的凌力爾特元件,而且還允許透過下載系統參數到個別元件內部EEPROM,即時完成DC/DC轉換器配置的更改。透過利用軟體來調整系統組態(而不是求助於用烙鐵元件並重新為電路板佈線的費時傳統!)縮短了設計開發時間。

但還不止於此,一旦在現場部署了某個終端系統(例如資料中心),則監督者採用該GUI的適用介面簡單地更新PoL轉換器的工作參數,就能即時地調整系統。圖3顯示為使用者詢答其系統時將會看到凌力爾特LTpowerPlay功能控制頁的典型螢幕截圖。

凌力爾特所有的PMBus產品均由該軟體開發系統提供支援,它能夠在初始開發階段及隨後在用戶現場實施安裝時協助設計人員快速完成系統除錯。它能簡便快捷地實現電源電壓、限值和排序的監測、控制和調整。而且,採用幾個標準的PMBus命令還可以輕鬆地完成生產裕度測試。

20160817 Linear TA31P3 圖 3:LTpowerPlay GUI典型功能控制頁螢幕截圖

結語

在當今的資料通訊和電信系統中具備DPSM功能,可為系統架構設計者提供一種簡單和強而有力的方法,僅使用4個uModule穩壓器,就能為最新20nm以下ASIC和FPGA的1.xV核心電壓提供180W以上的功率。例如,圖2顯示以一種多相配置組合使用LTM4677和3個LTM4650,不僅節省了昂貴的PCB面積資源,還由於其整體工作效率高而減少了所需的冷卻量。

此外,DPSM的軟體可編程性還顯著地縮短了通常與這種努力相關聯的除錯時間,也降低了基礎設施成本和產品整個產品生命週期的擁有權總成本。雖然這不像除錯硬體系統時採用電烙鐵重新佈線的傳統方法那些樂趣,但是它方便而且節省時間的特性非常引人注目而不容忽視。