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紧凑的 PCB 面积内也可实现高功率的数字控制与遥测功能

2018-05-16 22:09编辑:自贡盛玉拓能电力杆塔有限责任公司人气:


对于任何人来说,数字电源系统管理 (DPSM) 在通信和计算机行业内的持续采用,在很大程度上继续由位于其系统架构核心的 20nm 以下 ASIC 和 / 或 FPGA 所需之高电流水平驱动都是不足为奇的。我们以下一代数据中心交换机中使用的最新 ASIC 为例来说明;它们为那些传输 100Mbit/s 至 100Gbit/s 以太网和 32Gbit/s 光纤通道流量的端口实现了一组更加灵活的接口。这使得能够把较高密度的 100G 端口放入单个机架单元中。除此之外,这些 20nm 以下工艺还允许把超过 20Mbyte 的存储器置于 ASIC 自身之上,从而有可能免除增设外部存储器的需要,并节省电路板空间及成本。

然而,此类通信设备的系统架构设计师正被迫提高其系统的数据吞吐量和性能,也在被迫增加功能和特性。与此同时,他们也面临着降低系统总体功耗的压力。例如,一个典型的挑战便是通过重新安排工作流程,将作业转移到未充分利用的服务器上,从而允许其他服务器关机,以此降低总体功耗。为了满足这些需求,知道最终用户设备的功耗是至关重要的。于是,一个设计得当的数字电源管理系统能为用户提供功耗数据,从而允许智能地做出能量管理决策。这是对数据中心的一项关键的要求,这里,负责控制内部环境温度之 HVAC 系统的电力成本是很重要的。在现实中,此类成本每个月可达几百万美元。

系统挑战

当数字电源正确使用时,它能够降低设备功耗、缩短产品上市时间、拥有卓越的稳定性和瞬态响应、并提高整体系统可靠性。

DPSM 一项主要的优势是能够降低设计成本和加快产品上市进程。采用一种具有直观图形界面 (GUI) 的综合开发环境,即可以高效地开发复杂的多电压轨系统。另外,此类系统还可利用 GUI 而不是在 “白色导线” 固定点上进行焊接来实现更改,从而简化了在线测试 (ICT) 和电路板调试工作。另一个益处是,由于有实时遥测数据可用,因此可预测电源系统的故障,并采取预防性措施。也许最重要的是,具数字管理功能的 DC/DC 转换器允许设计师开发 “绿色” 电源系统,这种系统可满足目标性能要求 (计算速度、数据速率等),而且在负载点、电路板、机架甚至安装级上的能量消耗极少,从而降低了基础设施成本和产品整个寿命期的总拥有成本。

许多电信和数据通信系统通过一块 48V 背板供电。一般将该电压降压至一个较低的中间总线电压 (通常为 12V 至 3.3V),以为系统内部的电路板支架供电。然而,这些电路板上的大多数子电路或 IC 需要在 1V 以下到 3.3V 的电压范围和几十毫安至几百安培的电流范围内工作。因此,为实现从中间总线电压至子电路或 IC 所需之期望电压的降压,负载点 (PoL) DC/DC 转换器是必要的。这些电源轨对于排序、电压准确度、裕度调节和监控具有严格的要求。

在一个电信系统中会有多达 50 个 PoL 电压轨,而且系统架构设计师需要一种相对于其输出电压、排序和最大可容许电流来管理这些电压轨的简单方法。某些处理器要求其 I/O 电压在其内核电压之前上升,另一种情况是某些 ASIC 和 DSP 要求其内核电压的上升先于其 I/O 电压。断电排序也是必要的。设计师需要一种做出变更以优化系统性能和为每个 DC/DC 转换器存储一种特定配置的简易方式,旨在简化设计工作。

此外,为避免昂贵的 FPGA、ASIC 和 DSP 遭遇过压情况的可能性,高速比较器必须监视每个电源轨的电压电平,并在某个电源轨超出其规定的安全工作限制范围时立即采取保护性措施。在数字供电型系统中,当出现某种故障时可通过 PMBus 警示线路通知主机,并且能够把相关的电压轨关断以保护 FPGA 等受电器件。实现这种保护等级需要合理的准确度和大约几十微秒的响应时间。

由于要面对这些挑战,因此凌力尔特决定开发一个 PSM 产品线,其包括具集成型功率 FET 栅极驱动器和丰富齐全之电源管理功能 (通过基于 I2C 的 PMBus 来使用) 的同步降压型 DC/DC 控制器。这些功能包括高精度基准和可提供 ±0.5% DC 准确度的温度补偿型模拟电流模式控制环路、经过校准以不受工作条件之影响的简易型补偿、逐周期电流限制、快速和准确的均流、以及针对线路电压和负载瞬变的响应,并不存在任何与 ADC 量化相关联的误差,此类误差是采用 “数字” 控制之产品中所常见的。该产品线的某些产品还内置了可提供输入和输出电压及电流、占空比和温度之数字回读的 16 位数据采集系统。另外,还整合了通过一个中断标记及一个 “黑匣子” 记录器 (其负责存储发生某种故障之前的转换器工作状况) 实现的故障记录功能。最后,多电源轨系统的开发工作借助凌力尔特的 LTpowerPlay® 开发软件和 GUI 界面得到了简化。

针对复杂问题的简单解决方案

(来源:网络整理)

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