多相能力降压型控制器最大限度地减小解决方案尺寸和成本

星星科技指导员 2023-04-14 976

描述

LTC®3883/-1 是一款具有数字电源系统管理、高性能模拟控制环路、片内驱动器、远端输出电压检测和电感器温度检测功能的通用、单通道、多相能力降压型控制器。为了最大限度地减小解决方案尺寸和成本，LTC3883/-1 具有凌力尔特正在申请专利的自动校准例程，用于测量电感器的 DC 电阻，以便在测量电感器两端的逐周期电流时获得准确的输出电流测量值（无损 DCR 检测）。

数字电源管理

在当今的数据中心系统中，挑战在于通过在系统的各个级别（包括负载点、电路板、机架甚至安装级别）尽可能提高效率来“走向绿色”。例如，通过将工作流路由到尽可能少的服务器，关闭当时不需要的服务器，可以降低整体系统功耗。要做到这一点并满足系统性能目标（计算速度、数据速率等），唯一的方法是实施一个全面的数字电源管理系统，以监控所有级别的实时功耗数据。

过去，设计人员使用包括监控器、时序控制器、DAC和ADC在内的IC抓包拼凑而成的数字电源管理解决方案。除了此类解决方案固有的复杂性外，它们还缺乏易于扩展的能力，需要为未来的系统升级进行大量的前期规划。LTC3883/-1 通过在 DC/DC 控制器中组合所有数字电源管理功能，消除了这种复杂性。其结果是一个易于使用、强大且灵活的负载点（POL）电源管理解决方案。

LTC3883/-1 能够自主运作或通过一个业界标准 I 进行通信2C串行总线与系统主机处理器，用于命令、控制和报告遥测数据。这样就可以直接从 LTC3883/-1 监视关键操作信息，例如实时电压、电流和温度，这些信息可用于动态优化系统性能和可靠性。通过访问这些数据，可以预测电力系统故障并采取预防或调解措施。

重要的稳压器参数（如输出电压和电流限值、裕量调节电压、过压和欠压监控限值、启动特性以及时序和故障响应）也可以通过串行总线直接编程，而无需使用电阻器、定序器和监控IC等外部元件。

数字电力系统管理使快速高效地开发复杂的多轨系统成为可能。LTpowerPlay进一步简化了设计™软件，可实现基于 PC 的电路板监控和参数调整。这允许设计人员调试和执行在线测试（ICT），而无需任何电路板重新布线或组件修改。

功能概述

LTC®3883 / -1 是一款单输出同步降压型 DC/DC 控制器，具有集成的功率 FET 栅极驱动器和一个能够多相至六相的模拟电流模式控制环路。该频率可在 250kHz 至 1MHz 范围内设定，如果一个外部振荡器可用，则内部锁相环使 LTC3883/-1 能够与相同范围内的任何频率同步。

图2.高效率 500kHz 1.8V 降压转换器，具有 DCR 检测功能。

LTC3883/-1 具有优化的栅极驱动器死区时间，以最大限度地减小开关损耗和体二极管导通，从而在所有操作条件下保持高效率。它支持宽V型在范围为 4.5V 至 24V 和 A V外范围为 0.5V 至 5.5V。精密基准、12 位 DAC 和温度补偿模拟电流模式控制环路可实现 ±0.5% DC 输出电压精度，集成的高端输入电流检测放大器可实现电感 DCR 的精确输入电流检测和自动校准。

16位数据采集系统提供输入和输出电压及电流、占空比和温度的数字回读。重要测量值的峰值可由用户回读。关键控制器参数可通过 PMBus 进行编程。故障记录功能包括一个中断标志和一个非易失性存储器中的黑匣子记录器，用于存储故障发生前的工作条件。

LTC3883 的特点是片内 LDO 稳压器用于提高集成度，而 LTC3883-1 则由一个外部 5V 偏置电压供电以提高效率。两款器件均采用耐热性能增强型 32 引脚 5mm × 5mm QFN 封装，工作结温范围为 –40°C 至 105°C（E 级）或 –40°C 至 125°C 工作结温（I 级）。

PMBus控制

LTC3883/-1 PMBus 接口允许对关键电源参数进行数字编程以及重要实时条件的回读。参数配置可以使用凌力尔特的 LTpowerPlay 开发软件下载到内部 EEPROM。图 5 显示了基于 PC 的 LTpowerPlay 开发平台，该平台具有 USB 到 I2C/SMBus/PMBus 适配器。一旦根据需要配置了器件，它将在没有主机控制的情况下自主运行，因此不需要进一步的固件或微控制器。

图3.使用LTpowerPlay软件的完整开发平台。

PMBus 支持对以下电源参数进行编程：

输出电压和裕量电压

基于电感温度的温度补偿电流限制阈值

开关频率

过压和欠压高速监控器阈值

输出电压开/关时间延迟

输出电压上升/下降时间

输入电压开/关阈值

输出轨开/关

输出轨边际高/边际低

对内部/外部故障的响应

故障传播

PMBus 允许用户监控以下电源条件：

输出/输入电压

输出/输入电流

内部芯片温度

外部电感器温度

部件状态

故障状态

系统状态

峰值输出电流

峰值输出电压

内部/外部峰值温度

故障日志状态

模拟控制回路

LTC3883/-1 可针对多种功能进行数字编程，包括输出电压、电流限制设定点和排序。然而，控制环路仍然是纯模拟的，提供最佳的环路稳定性和瞬态响应，而没有数字控制环路的量化效应。

图4比较了带模拟反馈控制环路的控制器IC与带数字反馈控制环路的控制器IC的斜坡曲线。模拟环路具有平滑斜坡，而数字环路具有离散步进，这可能导致稳定性问题、较慢的瞬态响应、某些应用中更需要的输出电容，以及由于量化效应而导致PWM控制信号上的更高输出纹波和抖动。

图4.LTC3883 的模拟控制环路与数字控制环路的关系。模拟环路具有平滑斜坡，而数字环路具有离散步进，这可能导致稳定性问题、较慢的瞬态响应、某些应用中更需要的输出电容，以及由于量化效应而导致PWM控制信号上的更高输出纹波和抖动。

电流模式控制环路可产生最佳的环路稳定性、逐周期电流限制以及对线路和负载瞬变的快速准确响应。简单的环路补偿与工作条件和转换器配置无关。支持连续、不连续和突发模式电感电流控制。®

电感直流电阻自动校准

使用电感的直流电阻而不是检测电阻来检测DC/DC转换器的输出电流有几个优点，包括降低功率损耗，降低电路复杂性和成本。但是，额定标称电感DCR与实际电感DCR之间的任何差异都会导致测量输出电流和峰值电流限值成比例误差。

电感器 DCR 相对于其标称值的容差可由 LTC3883/-1 使用 Linear 正在申请专利的算法进行测量和补偿。只需通过PMBus命令完成简单的180ms校准程序，同时转换器处于稳态状态，负载电流足够大，可以进行准确的输入和输出电流测量。

电感器温度由 LTC3883/-1 精确测量，以在整个工作温度范围内保持准确的电流回读。LTC3883 动态模拟从外部温度传感器到电感器内核的温升，以考虑电感器的自发热效应。这种正在申请专利的算法简化了外部温度传感器的放置要求，并补偿了从电感磁芯到主散热器的显著稳态和瞬态温度误差。

多个 IC 系统

大型多轨电源板通常由一个隔离的中间总线转换器组成，该转换器将背板的–48V转换为较低的中间总线电压（IBV），通常为12V，分布在PC卡周围。单个负载点（POL） DC-DC 转换器将 IBV 降压至所需的电源轨电压，通常范围为 0.5V 至 5V，输出电流范围为 0.5A 至 120A。这些电路板人口稠密，数字电源系统管理电路无法占用太多的 PC 板空间。

高性能 LTC PMBus 控制器（如 LTC3883/-1）和配套 IC（如 LTC2978）高效、无缝地协同工作，以满足当今复杂电路板的严格数字电源管理要求。其中包括排序、电压精度、过流和过压限制、裕量调节、监控和故障控制。这些器件的任意组合使得时序设计成为适用于任意数量电源的简单过程。通过使用基于时间的算法，用户可以通过简单的可编程延迟以任何顺序动态地对电源轨的打开和关闭进行排序。使用1线SHARE_CLK总线和一个或多个双向通用IO（GPIO）引脚可实现跨多个芯片的时序控制。

LTpowerPlay软件

LTpowerPlay软件可以轻松同时控制和监控多个支持线性PMBus的设备。通过将系统参数下载到 LTC3883/-1 的内部 EEPROM 来实时修改 DC/DC 控制器配置。这允许在软件中调整系统配置，而不是诉诸交换组件和手动重新布线板的繁琐任务，从而缩短了设计开发时间。图5显示了如何控制输出电压、OV/UV保护限值和开/关斜坡。波形显示输出电压的软启动和软停止。还显示了警告和故障条件。

图5.电力系统得到简化。LTpowerPlay让完整的电源控制触手可及。

结论

LTC3883 / -1 将高性能模拟开关调节与精准数据转换和一个灵活的数字接口相结合。多个 LTC3883 可与其他器件并联使用，以轻松创建优化的多轨数字电源系统。

所有线性PMBus产品均由LTpowerPlay软件开发系统提供支持，该系统可帮助电路板设计人员快速调试系统。LTpowerPlay可用于监视、控制和调整电源电压、限值和排序。使用几个标准 PMBus 命令可以轻松执行生产裕度测试。将 LTC3883/-1 与其他线性 PMBus 产品结合使用是将数字控制电源快速推向市场的最佳方式。

审核编辑：郭婷

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