引言
當今的高可靠性系統需要采用復雜的數字電源管理解決方案對大量的電壓軌進行排序、監控、監視和裕度調節。的確,如今一塊應用電路板具有幾十個電壓軌的情況并不少見,這些電壓軌各具自己獨特的要求。通常,面向這些系統的電源解決方案要求把多個受控于一個 FPGA 或微控制器的分立器件散布在電路板的周圍,以對電源陣列進行排序、監控、監視和裕度調節。在此類方案中,開發必要的固件需耗費大量的時間,而低估這項任務的復雜性與完成周期的傾向是普遍存在的。
具 EEPROM 的 LTC?2978 8通道數字電源管理器可為電源系統設計人員提供一款集成型模塊化解決方案,其調試時間和工作量相比于微控制器解決方案有所減少。LTC2978 能夠對多達 8 個電源進行接通和關斷排序、監視、監控、裕度調節及修整。采用單線式共享時鐘總線及一個或多個雙向故障引腳,可以容易地級聯多個 LTC2978 (圖 1 示出了一種典型應用)。
圖 1:LTC2978 的典型應用電路
此外,LTC2978 還使用了一個受保護的非易失性存儲器,用于記錄發生關鍵性系統故障時的系統電壓和故障信息。通過把關鍵性的系統數據保存于非易失性存儲器中,用戶就能在系統開發、測試調試或故障分析的過程中發現故障電壓軌并隔離電路板故障的成因。
LTC2978 采用了業界標準的 PMBus 命令協議,旨在簡化固件開發。不過,LTC2978 最重要的特性是其高精度集成型基準和 15 位ΔΣ ADC 可在測量或調節電源電壓時提供 ±0.25% 的絕對準確度。
LTC2978 贏得成功的關鍵在于凌力爾特的 LTpowerPlayTM,這是一種免費的可下載圖形 PC 界面,可在設計與測試過程中方便與器件的互動。LTpowerPlay 為使用 LTC2978 的特性提供了一種簡單易用卻功能強大的配置工具。另外,LTpowerPlay 設計工具還將支持凌力爾特公司今后推出的數字電源管理器件。
借助精準的裕度測試來改善制造良率
系統電壓的裕度測試是根除高可靠性系統中早期故障的一種有效的方法。通常情況下,為了保證在測系統擁有在現場可靠操作的足夠堅固性,電壓的裕度至少為 ±5%。然而,視系統容限的不同,這種方法會導致過多的測試失敗 (test fallout)。假如上述的電源電壓容限嚴緊一點的話,那么這些測試不合格中有很多本來是可以避免的。
憑借其高精度基準、多路復用 15 位 ADC、8 個裕度 DAC 和集成伺服算法,LTC2978 為應對這一問題提供了一種使用較為簡單但功能十分強大的解決方案。通過簡單地寫入一個用于修整或裕度調節至某個特定電壓的 I2C 命令,LTC2978 便可在規定的軟件和硬件限制范圍內調節 DC/DC 負載點轉換器,以提供絕對準確度達 ±0.25% 的命令輸出電壓。
裕度 DAC 輸出通過一個電阻器連接至 DC/DC POL 轉換器的反饋節點或修整輸入。該電阻器的阻值設定了輸出電壓的裕度調節范圍限值,這是軟件控制型電源的一個重要的限制因素。10 位裕度 DAC 的另一個顯著的優勢是其能在進行電壓裕度調節時實現非常精細的分辨率。這使其能夠從故障測試中提取有用的數據,這與在垃圾桶里堆滿了故障板卻又沒有對其徹底了解的情況截然相反。
靈活的電源排序和故障管理
許多傳統的電源排序解決方案依賴于比較器和菊鏈式 PCB 接線。雖然這種方法對于少數電源而言實現起來相對容易,但隨著電壓軌數目的增加,使其復雜性迅速攀升,而且面對規格的變更會導致靈活性相對欠佳。另外,運用這種方法實現關斷排序也是極為困難的。
無論電源的數目多少,LTC2978 均可使其排序變得容易。通過采用一種基于時間的算法,用戶能夠以任意順序進行接通和關斷的動態排序 (見圖 2)。多個 LTC2978 的排序也可使用單線式共享時鐘總線及一個或多個雙向故障引腳來實現。由于能以任意順序進行通道的排序 (而與由哪一個 LTC2978 提供控制無關),因此該方法極大地簡化了系統設計。而且,以后還可增加更多的 LTC2978,而無需擔心諸如子板卡連接器引腳的電源受限等系統限制條件。
圖 2:排序及裕度調節實例
接通排序可應多種條件而被觸發。例如:當下游 DC/DC POL 轉換器的中間總線電壓超過某個特定的接通電壓時,LTC2978 將執行自動排序。或者,接通排序也能夠應控制引腳輸入的上升沿或下降沿而啟動。另外,排序還可利用一個簡單的 I2C 命令來啟動。LTC2978 支持這些條件的任意組合。
雙向故障引腳可用于通道之間各種不同的故障響應相關性。比如:在發生短路的情況下,可以中斷一個或多個通道的接通排序。當某個電源軌上電時,欠壓監控器功能將被啟用 (過壓功能始終處于啟用狀態)。電壓監控器的過壓和欠壓門限以及響應時間都是可編程的。此外,還對輸入電壓和溫度進行了監視。如果這些參數中的任一種超過其“過 / 欠”限值,則客戶可從眾多的故障響應中進行選擇。具體的實例包括立即鎖斷、去抖動鎖斷以及具重試功能的鎖斷。
該器件內置了一個集成型看門狗定時器,用于對外部微控制器實施監控。可提供兩種超時間隔:初始看門狗間隔和后續間隔。這使得能夠在緊接著電源良好信號被置為有效之后為微控制器規定一個較長的超時間隔。倘若發生看門狗故障,則可把 LTC2978 配置為在一個預定的時間之內使微控制器復位,而后重新將電源良好輸出置為有效。
多層面的遠端采樣 (Multifaceted Telemetry)
LTC2978 在其寄存器中預備了多種遠端采樣數據。多路復用的 15 位ΔΣ ADC負責監視輸入和輸出電壓及片內溫度,并存儲所有電壓和溫度讀數的最小值與最大值。此外,還可對用于奇數輸出通道的 ADC 輸入進行重新配置,以測量檢測電阻器電壓。在此模式中,該 ΔΣ ADC 能夠分辨低至 15.3μV 的電壓,當試圖利用電感器 DCR 電路來測量電流時,這一點是寶貴的。
雖然 LTC2978 可依靠一個 3.0V 至 3.6V 電源直接供電,但 ADC 能接受高達 6V 的輸入電壓 —— 無需擔憂體二極管或極不穩定的待機電源電壓。而且,利用其內部穩壓器,LTC2978 還能夠依靠一個 4.5V 至 15V 的輸入電源來運行。提供了一個單獨的高電壓 (最大值為 15V) 檢測輸入,用于測量受控于 LTC2978 的 DC/DC POL 轉換器的輸入電源電壓。
黑匣子數據記錄器
當某個通道因故障響應而被停用時,LTC2978 的數據日志可被轉儲至受保護的 EEPROM 中。這個 255 字節的數據塊將被保存在 NVM (非易失性存儲器) 之中,直到由 I2C 命令將其清除為止。該數據塊包含了故障發生之前 500ms 的輸出和輸入電壓及溫度數據,還有對應的最小值與最大值。另外,自上一次系統復位之后的狀態寄存器值和總的正常運行時間也存儲在數據日志之中。
數據日志的內容可采用 LTpowerPlay設計工具查看。這樣,LTC2978 便提供了在關鍵性故障發生前一刻電源系統的完整瞬間狀態信息,從而可在故障發生之后很好地查出故障的成因。對于首批樣機的調試及現場故障而言,這是一項非常寶貴的特性。
圖形用戶界面和 PMBus
凌力爾特公司基于 PC 的易用型 LTpowerPlay 圖形用戶界面 (GUI) 允許用戶通過一塊 USB 至 PMBus 接口板對 LTC2978 進行在線配置和編程 (見圖 3)。該 GUI 免費且可下載,免除了開發過程中大量的代碼編寫工作,并通過允許設計人員在一個直觀框架內配置所有器件參數以加快產品的上市進程。一旦選定了器件配置,設計人員即可把參數保存在一個文件中,并與一個 BPM Micro 編程器一起發送給合同制造商或授權分銷商進行預編程。
圖 3: LTpowerPlay 交互式 GUI
LTC2978 采用業界標準的 PMBus 接口協議,該協議是 I2C 兼容型 SMBus 標準的一個擴展集。PMBus 是一種開放式且被廣泛采用的標準,它明確定義了用于單獨 DC/DC POL 轉換器的數字電源管理協議。LTC2978 支持大量的 PMBus 命令。另外,該器件還具有一些 DC/DC 轉換器制造商的專用命令,旨在保持低復雜性和高通用性。
結論
憑借其前所未有的參數準確度、豐富的特性集和模塊化架構,LTC2978 成為一款適合管理各種終端市場中眾多 DC/DC POL 轉換器的理想解決方案,從醫療、工業、計算機、視頻和通信到消費類等一應俱全。
業界標準的 PMBus 接口、功能強大的 LTpowerPlay GUI 和集成型 EEPROM 使得能夠針對所有應用進行 LTC2978 的客戶化設計。設計人員可采用基于 PC 的圖形界面來配置器件,并將器件的配置上傳至凌力爾特公司。據此,凌力爾特就能提供針對特定應用而定制的即用型預編程器件。
LTC2978 的其他特點包括一個集成型高精度基準、一個多路復用15位 ΔΣ ADC、8 個 10 位電壓緩沖 DAC、8 個具可編程門限和響應時間的過壓和欠壓 10 位電壓監控器、以及一個用于存儲配置參數和故障記錄信息的集成型 EEPROM。LTC2978 采用 64 引腳 9mm x 9mm QFN 封裝。
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