托尼· 阿姆斯特朗
介紹
許多通訊系統通過 48 V 背板供電。該電壓通常會降低到較低的中間總線電壓，通常為 12 V、5 V 甚至更低，以便為系統內的板架供電。但是，這些板上的大多數子電路或 IC 都需要在從 3.x V 到低至 0.5 V 的電壓範圍內以數十毫安到數百安培的電流運行。因此，負載點 (PoL) DC-DC 轉換器對於從這些較高的總線電壓降到子電路或 IC 所需的較低電壓是必要的。好像這本身還不夠困難，這些電源軌對排序、電壓精度、裕度和監督也有嚴格的要求，也需要考慮！
由於通信設備中可能有數百個 PoL 電壓軌，因此系統架構師需要一種直接的方法來管理這些軌的輸出電壓、排序和最大允許電流。當今的許多深亞微米 IC 數字處理器都要求其 I/O 電壓在其核心電壓之前上升。或者，許多 DSP 要求在其 I/O 之前提升其內核電壓。此外，還需要斷電排序。因此，系統架構師需要一種輕鬆的方式來進行更改以優化系統性能並為每個 DC-DC 轉換器存儲特定配置，以簡化設計工作。
此外，大多數通信設備製造商都被迫提高其係統的數據吞吐率和性能，以及添加更多功能和特性。與此同時，正在施加壓力以降低系統的整體功耗。例如，一個典型的挑戰是通過重新安排工作流程並將作業轉移到未充分利用的服務器來降低整體功耗，從而關閉其他服務器。為了滿足這些需求，了解最終用戶設備的功耗至關重要。因此，適當設計的數字電源管理系統 (DPSM) 可以為用戶提供功耗數據，從而可以做出智能的能源管理決策。
DPSM 的主要好處是降低了設計成本並加快了上市時間。使用具有直觀圖形用戶界面 (GUI) 的綜合開發環境，可以有效地開發複雜的多軌系統。此類系統還通過 GUI 啟用更改而不是焊接在白線修復中，從而簡化了在線測試 (ICT) 和電路板調試。另一個好處是可以預測電力系統故障並採取預防措施，這要歸功於實時遙測數據的可用性。也許最重要的是，具有數字管理功能的 DC-DC 轉換器允許設計人員開發綠色電源系統，以在負載點、電路板、機架和即使在安裝級別，這降低了基礎設施成本和產品生命週期內的總擁有成本。畢竟，數據中心最大的運營成本是用於為冷卻系統供電以使數據中心內部保持在其預定義的最佳運行溫度以下的電力成本。
此外，系統架構師仍需要一些相對簡單的電源轉換器來滿足其電路板上的各種其他電源軌，但要放置它們的電路板面積不斷縮小。這部分是由於無法將這些轉換器安裝在其電路板的下側，因為在機架安裝配置中並排放置的多塊電路闆對它們施加了 2 毫米的最大組件高度限制. 他們真正想要的是安裝在印刷電路板 (PCB) 上時尺寸不超過 2 毫米的完整電源。幸運的是，這樣的解決方案確實存在並且將在本文中更詳細地討論。
轉換器解決方案
Analog Devices 線性電源™ µModule®穩壓器是完整的系統級封裝 (SiP) 解決方案，可最大限度地縮短設計時間並解決通信系統中常見的電路板空間和功率密度問題。這些 µModule 產品是完整的電源管理解決方案，在緊湊的表面貼裝 BGA 或 LGA 封裝中集成了 DC-DC 控制器、功率晶體管、輸入和輸出電容器、補償元件和電感器。使用 Power by Linear µModule 產品進行設計可以將完成設計過程所需的時間減少多達 50%，具體取決於設計的複雜性。該系列 µModule 穩壓器將組件選擇、優化和佈局的設計負擔從設計人員轉移到設備，從而縮短了整體設計時間和系統故障排除，這些 µModule 解決方案將分立電源、信號鍊和隔離設計中常用的關鍵組件集成在一個緊湊的類似 IC 的外形尺寸中。在 Power by Linear 嚴格的測試和高可靠性流程的支持下，我們的 µModule 產品組合簡化了電源管理和轉換設計的設計和佈局。該產品系列涵蓋廣泛的應用，包括負載點穩壓器、電池充電器、DPSM 產品（PMBus 數字管理電源）、隔離式轉換器、電池充電器和 LED 驅動器。作為高度集成的解決方案，每個設備都可以使用 PCB Gerber 文件，這些 µModule 電源穩壓器解決了時間和空間限制，同時提供了高效率和可靠性。此外，我們的許多新產品支持符合 EN 55022 B 類標準的低 EMI 解決方案。這使系統設計人員確信終端系統將滿足嚴格的噪聲性能標準，以符合終端系統必須滿足的許多抗噪行業標準。
此外，隨著系統複雜性的增加和設計週期的縮短，設計資源變得捉襟見肘，重點就落在了系統關鍵知識產權的開發上。這通常意味著電源被放在一邊，直到開發週期的後期。由於時間不多，而且專業電源設計資源可能有限，因此在利用 PCB 底部以最大限度地利用空間的同時，提出一種具有最小可能佔位面積的高效解決方案是一項巨大的壓力。
這是 µModule 穩壓器可以提供理想解決方案的關鍵領域。這個概念在內部很複雜，但在外部卻很簡單——開關穩壓器的效率和線性穩壓器的設計簡單。仔細的設計、PCB 佈局和元件選擇在開關穩壓器的設計中非常重要，許多經驗豐富的設計師在他們職業生涯的早期就已經聞到了燃燒電路板的獨特香氣。當時間緊迫或電源設計專業知識有限時，現成的 µModule 穩壓器不僅可以節省時間和空間，還可以降低程序的風險。
最近的一個超薄 µModule 解決方案示例是LTM4622。這是一款雙路 2.5 A 或單路兩相 5 A 輸出降壓電源穩壓器，採用 6.25 mm × 6.25 mm × 1.8 mm 超薄 LGA 封裝。其高度接近焊接的 1206 外殼尺寸電容器，其超薄高度允許安裝在電路板的頂部。纖薄的外形使其能夠滿足苛刻的高度限制，例如嵌入式計算系統中的 PCIe 和高級夾層卡所要求的高度限制，如圖 1 所示。
圖 1. LTM4622A 可以安裝在 PCB 的下側。
此外，LTM4622A最近發布了。LTM4622 的一種變體，該 A 版本具有 1.5V 至 12V 的更高輸出電壓，替代了 0.6V 至 5.5V 的非 A 版本。這使系統設計人員能夠在如果終端系統需要，則更高端。在任何一種情況下，輸入電壓範圍都是 3.6 V 至 20 V。Power by Linear 的 µModule 直流對直流穩壓器還提供了一種直接提供高功率和 DPSM 功能的方法。由於許多 µModule 穩壓器可以並聯以實現高負載電流並具有精確的電流匹配（彼此之間的標稱誤差在 1% 以內），因此它們可以減輕出現熱點的可能性。此外，只有一個 µModule 穩壓器需要包含 DPSM 功能，使用 DPSM 設備，系統設計人員可以做許多不同的事情，包括：
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通過數字通信總線配置電壓、定義復雜的開/關排序安排、定義故障條件（例如 OV 和 UV 限制）以及設置重要的電源參數（例如開關頻率、電流限制等）。
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通過同一條通信總線，可以回讀重要的工作參數，例如輸入電壓和輸出電壓、輸入和輸出電流、輸入和輸出功率以及內部和外部溫度，以及在我們的某些產品中測量能耗。
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個人可以對其設計進行非常精確的閉環裕量測試，並將電源電壓調整到非常精確的水平。
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這些設備被設計為自主的。配置完成並施加輸入電源後，它們會對電源進行排序，在負載點調節非常精確的電壓，在實施用戶可配置故障管理方案的同時持續監控電壓和電流，並啟動存儲信息的非易失性故障記錄器關於檢測到故障時的電力系統。
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DPSM 設備可以級聯以構建連貫的大型電源系統。這是通過以有線速度運行的芯片間協調總線來實現的。
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它們包括用於設備配置和故障記錄功能的內部 NVM。
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這些器件包含 I 2 C/PMBus 通信端口，並使用行業標準的 PMBus 命令集來控制和管理電源系統。
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這些 PSM 器件都受通用 LTpowerPlay ® GUI 的支持。LTpowerPlay 是一種工程級 GUI，在開發時考慮了電源系統設計和調試以及遠程客戶支持。
因此，
圖 2 顯示了一個LTM4677（36 A DPSM µModule 穩壓器）與三個LTM4650（50 A µModule 穩壓器）並聯的應用示意圖，用於 180 A 加 DPSM PoL 解決方案。
下載PDF
圖 2. 一個 LTM4677 DPSM µModule 器件和三個 LTM4650 µModule 穩壓器的組合可通過標稱 12 V 輸入在 1 V 時提供 186 A。
結論
在當今的通信設備中擁有 DPSM 功能和超薄型電源轉換器件，為電源設計人員提供了簡單而強大的方法，可將高功率輸出提供至低至 0.5 V 的內核電壓，並在整個溫度範圍內具有 ±0.5% 的最大直流輸出誤差，例如那些最新的 20 納米以下 ASIC、GPU 和 FPGA 所需。如果存在外形限制，則使用安裝在電路板上時外形小於 2 mm 的超薄型 μModule 穩壓器（例如 LTM4622A）允許使用底部的電路板空間，否則該空間將未被充分利用. 這不僅節省了昂貴的 PCB 空間，而且由於其整體運行效率降低了所需的冷卻量。
最後，在通信設備中使用 µModule 穩壓器是有意義的，因為它們可以顯著減少調試時間並允許更大的電路板面積使用。這降低了基礎設施成本，以及系統生命週期內的總擁有成本。對於設計和製造此設備的公司以及在將設備安裝到數據中心後使用這些設備的公司而言，這是雙贏的。
作者
托尼·阿姆斯特朗
Tony Armstrong 是 ADI 公司 Power by Linear 產品組的業務發展總監。他負責電源轉換和管理產品從推出到淘汰的所有方面。在加入 ADI 之前，Tony 在凌力爾特、Siliconix Inc.、Semtech Corp.、Fairchild Semiconductors 和 Intel 擔任過營銷、銷售和運營方面的多個職位。他在英國曼徹斯特大學獲得應用數學學士學位（榮譽）。托尼於 2020 年春季退休。
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