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作者：凌力爾特公司微型模塊電源產品部產品市場經理 Afshin Odabaee 目前面臨的一個關鍵挑戰是，通過準確了解從宏觀到微觀的功率使用情況來降低功耗。例如，了解從大型伺服器群組到每個機架式系統中安裝在電路板上電源的功率使用情況。在電壓軌很多的電路板上管理電源并實現靈活性是非常困難的，而且需要工程師用數字電壓表(DVM)和示波器進行人手探測，而且結果是常常需要更換PCB組件。為了簡化這類電源管理任務，人們開始通過數字通信總線來配置和監視電源，而且這種趨勢越來越明顯。換言之，這種方式實現了設定、監視、更改和記錄電源參數的遙測能力。這種方法通常稱為“數字電源”或“電源系統管理”，能夠使系統設計師在產生原型產品、部署和現場運行時，簡化和加速系統描述及優化過程。 
圖1：使用數字電源系統管理產品，能夠針對任何規模的系統更加準確地管理能耗和運行成本，這類產品具備數字總線遙測功能、板級存儲器和軟件控制功能 數字電源系統管理 數字電源系統管理(DPSM)產品是通過兩線PMBus接口接受配置和監視的。PMBus是一種開放的I2C數字接口協議。這使得數字電源系統管理產品能夠與現有嵌入式系統和架構、安裝在電路板上的控制器(BMC)以及智能平臺管理接口(IPMI)功能實現無縫集成。為了簡單易用，尤其是在硬件開發及測試的早期，人們使用在PC上運行的圖形用戶界面(GUI)，通過USB至PMBus適配電路板與DPSM產品通信。圖2所示方框圖顯示了用DPSM控制8個負載點(POL)穩壓器的典型方法。該圖包括若干POL穩壓器、一個DPSM構件、數字總線以及一個收集和傳送數據的主控制器。 DPSM產品可以為用戶提供與電源有關的關鍵數據：用戶可以通過數字總線讀取負載電流、輸入電流、輸出電壓、計算功耗、效率以及其他電源管理參數。這樣就能夠進行預測性分析、最大限度降低運行成本、增強可靠性并做出明智的能耗管理決策。
圖2：具備數字遙測的數字電源系統管理產品允許隨時更改參數而不需更換硬件 DPSM的優勢 在為ASIC、FPGA等低壓器件供電時，POL穩壓器的輸出電壓準確度至關重要。DPSM產品用一個非常準確和穩定的模數轉換器(ADC)不斷測量電源輸出電壓。時間伺服環路自動調節微調DAC的值，這消除了電源輸出電壓漂移，并極大地提高了準確度。另一方面，由于溫度變化和制造容限，傳統電源的輸出電壓會隨時間變化而漂移。這種電壓漂移可能超出設計裕度。此外，對于傳統電源而言，僅能通過更改PCB或更換元件來調節輸出電壓、排序安排以及電壓和電流監察門限。 圖3總結了DPSM產品(右)相比較傳統POL轉換器(左)的優勢。
圖3：DPSM產品用非常準確和穩定的ADC不斷測量電源輸出電壓。諸如 LTpowerPlay等簡單的GUI可用來進行電源參數的READ/WRITE PSM的優勢 傳統電源的電壓是固定的，而且不可能輕易地隨時改變。另一方面，以數字方式管理的電源卻可通過行業標準的兩線數字接口調節，而且有些電源的分辨率好于1mV。憑借DPSM產品，人們可以采用動態電壓及頻率調節等方法來微調系統性能，最大限度地減少功率浪費，而且這類方法已經證明可降低總體系統能耗。 在傳統電源中，有些復雜系統監視功能通常是與DC/DC穩壓器分離的，需要額外的監察IC或電路。此外，雖然可以檢測過壓(OV)、欠壓(UV)和過流(OC)故障等板級功能，但不是所有檢測結果都向主控制器報告，至少不是以簡單、無縫的方式報告。 在以數字方式管理的穩壓器中，電源監視功能是內置和可編程的。一個POL的故障情況可以輕易與其他POL相結合以產生針對各種故障情況的定制響應。 通過DPSM產品，檢測到的故障能夠與準確度很高的電壓、電流和溫度測量結果相關聯。內部非易失性存儲器可以存儲對于調試和根本原因分析的有用信息。
圖4：DPSM產品可以輕松配置，以通過LTpowerPlay等簡單的GUI來微調系統性能，并通過采用動態電壓和頻率調節等方法，最大限度地減少功率浪費 另一個有趣的課題是系統電壓軌的準確排序安排，這種安排常常在電路板制造完畢、電源電壓斜坡率需要調整時才能知道。在傳統電源中，雖然可以完成排序和斜坡上升，但是這些值是靜態的，只能通過電路板級更改才能調節。隨著穩壓器配備了DPSM能力，電源參數就可以通過軟件配置了。因此不再需要電路板級或組件級更改。電源參數校正可以在室內完成，因此無需重新鑒定，也不會導致產品延遲上市。 一個顯然的優勢是調試和故障查找更快、更簡單。在傳統電源設計中，調試和故障查找是用外部測量儀表和探頭完成的，這使得測量難以進行。在以數字方式管理的電源中，測試硬件是內置到每個POL中的，測量值可以運用GUI、通過數字接口讀取。 最后的例子是裕度測試。裕度測試的做法是，故意超出電源限制以模擬最差性能。裕度測試是惟一可接受的另一種最差情況的分析方法，這非常昂貴并需耗費大量時間。 在傳統POL中加入裕度測試提高了復雜性，而且由于制造容限而導致不準確問題。在DPSM產品中，裕度測試是內置的，非常準確。此外，每個POL都可能有自己的裕度水平(高和低)，但是憑借DPSM產品，電源電壓的復雜組合可以通過數字接口設定。這為最差情況系統級性能分析提供了一種快速和簡便的方法。 控制電源：具備DPSM能力的雙通道13A微型模塊穩壓器 凌力爾特公司提供的DPSM產品包括電源系統管理IC，如圖5所示(這些IC 包括DC/DC 穩壓器功能，但是控制系統板上的穩壓器，如上部的圖所示)。 下一個系列是DC/DC穩壓器IC，這些穩壓器包括數字電源系統管理功能，如圖5中部的圖所示。 DPSM系列中增加的一個新系列是具備PSM的微型模塊(μModule)電源產品。微型模塊穩壓器包括電感器、功率MOSFET和補償電路，如圖5下部的圖所示。LTM4676是這個系列的首款微型模塊產品。 除了為一或兩個負載點供電，LTM4676還可通過PMBus來配置，并對電源及電源管理參數進行遙測監視。PMBus是一種開放并基于I2C的數字串行接口協議。運用LTM4676的兩線串行接口，可設定輸出裕度、微調輸出，還可按照排序延遲時間使輸出以可編程轉換率斜坡上升或下降。LTM4676具備一個內置的16位ADC和一個基于I2C的接口，用戶可以回讀輸入和輸出電流及電壓、輸出功率、溫度以及運行時間。有些峰值是可讀的。輸出電壓在檢測點上調節，隨溫度、電壓和負載條件變化調節準確度好于±1%。 該器件規定，在10A負載時的輸出電流回讀為±2.5%。這樣的準確度使得能夠準確地描述和監視ASIC、FPGA和 CPU/GPU的功耗。再結合可隨時微調輸出電壓的能力，LTM4676為實現動態電壓調節、減載以及其他方法創造了機會，可以按照用戶設定的電源管理目標，最充分地挖掘系統的價值。 運用LTM4676，就能夠以數字方式監視系統中的所有電壓軌，而且易于實現。通過數字監視，可詳細了解能耗、加載模式和長期趨勢。這類數據使我們有機會開發預測性分析，針對預防性維護調度做出有根據的決策。
圖5：LTM4676是一款具備DPSM能力的雙通道13A或單通道26A Module穩壓器。該器件采用16mm x 16mm x 5.01mm BGA封裝，簡化了DC/DC電路設計和數字遙測。 故障日志功能允許檢索LTM4676直至系統停機事件之前瞬間記錄的數據。這在高端系統中，可以將診斷問題的時間減少數小時甚至數天，而且校正診斷出的問題也非常簡單，通過PC更改某些寄存器設定就可以。此外，還可以現場監視和升級系統電源。 總結 LTM4676 μModule穩壓器具備數字遙測和數字電源系統管理能力，使系統設計師能夠在產生原型產品、部署及現場運行時，簡化和加速系統描述及優化。該器件提供極其準確的電源參數讀寫，經過優化，可與電壓非常低、功率非常大的IC一起使用，例如ASIC、FPGA和處理器。 |
