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設計要靈活 伺服器電源大走數位風
用軟體設計與EEPROM來滿足客製化需求

【作者: Andy Gardner】   2014年03月18日 星期二

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今日的網路設備設計者們一直都面臨著開發時間迅速縮短及成本受到嚴格限制的雙重壓力,但是,市場還是期望他們能突破性能限制並增加功能。而隨著時間發展,越來越多的網路系統功能需要增加 ASIC 和處理器,而每個 ASIC 和處理器都會需要幾種電壓軌,進而導致具有幾十種軌電壓的線路卡的出現。電壓軌如此眾多所帶來的挑戰,就是要將硬體利用率達到最佳化,以將總體功耗降至最低。


為了滿足這類需求,因應複雜且高可靠性應用的數位電源管理元件正快速增加當中。


數位電源管理的作法可以透過以PC為基礎的軟體工具,高效率地對複雜的多電壓軌系統進行調試,以避免花費大量時間來更改硬體。相較於傳統的硬體ECN方法,採取軟體的線路內測試 (In-Circuit Testing;ICT) 以及電路板開發與運行狀況檢驗工作可以大為簡化,這是因為韌體變更可以在PC上直接完成,而無需接觸電路板。數位電源管理為設計者提供了即時遙測資料和故障記錄,而能快速診斷電源系統故障情況,並迅速採取糾正行動。


也許最有意義的是,具有數位管理功能的 DC/DC 轉換器允許設計者開發「綠色」電源系統,這類電源系統在滿足系統性能目標(像是計算速度與資料傳輸速率等)的同時,還能最佳化能源利用率。最佳化可以在負載點、電路板和機架,甚至在安裝階段時進行,進而降低了基礎設施成本和產品在整個壽命期內的總體擁有成本。


本文內容,主要是探討,網路交換器和路由器、基地台和伺服器、以及工業和醫療設備中,如何透過使用四通道的數位電源管理晶片來改善性能、可靠性和能效。



圖一 : 具備 EEPROM 的四通道電源控制器 (僅顯示一個通道)
圖一 : 具備 EEPROM 的四通道電源控制器 (僅顯示一個通道)

對任何數量的電源排序;隨意增加電源

目前市場上已有四通道的數位電源管理晶片可以簡化任何數量電源的排序。透過使用以時間為主的演算法,工程師能以任何順序、動態地為電源的導通和斷開來進行排序。利用單線共用時脈匯流排以及一個或多個雙向故障引腳,也能跨多個數位電源管理晶片的排序 (參見圖 2)。這種方法大幅簡化了系統設計,因為通道能按照任何順序排序,而不論由哪一顆晶片負責控制。任何時間都可增加額外的數位電源管理晶片,而不必擔心系統限制,例如子卡連接器引腳的供應出現受限的情形。



圖二 : 僅用兩條連接,就可以無縫地聯結多個四通道的數位電源晶片
圖二 : 僅用兩條連接,就可以無縫地聯結多個四通道的數位電源晶片

加電排序可由各種條件回應觸發。例如,當下游DC/DC POL 轉換器的中間匯流排電壓超過特定導通電壓時,該元件就可自動排序。或者,導通排序可以由控制引腳輸入的上升或下降緣(rising- or falling-edge)啟動。該元件還可提供回應故障情況的立即斷開或斷開排序。排序還可以由簡單的I2C命令啟動。


堅固的系統需要通用故障管理

雙向故障引腳可用來建立通道之間的故障響應的相關性。例如,如果發生短路,那麼一個或多個通道的導通排序可以終止。電壓和電流監察器的限制門檻和回應時間的過大和過小值都可以採取可程式設計。此外,雙故障接腳還可監視輸入電壓、晶片溫度和四個外部二極體的溫度。因此,如果這些多樣化的數值之中的任意一個項目超過其過大或過小值的限制,那麼數位電源管理晶片就能以若干方式做出回應,包括立即鎖斷、抗尖峰干擾鎖斷和具重試功能的鎖斷。


另外,還可用內建的看門狗計時器來監視外部微控制器。有兩種逾時間隔可用:第一次看門狗時間間隔和接續時間間隔。在確定電源良好訊號以後,就為微控制器規定較長的逾時間隔。這種新款的數位電源管理晶片的功能就在於:如果發生看門狗故障,就使微控制器在預先確定的時間長度內重定模式,之後再重新確定電源輸出。


用準確的電壓監測來提升製造良率

隨著電壓降至低於1.8V,很多現成的模組在隨溫度變化滿足輸出電壓準確度的要求方面都會遇到麻煩。現在,低於±10mV的絕對準確度要求是常見的,所以必須在製造過程中微調輸出電壓,這是一個耗費大量時間的過程。


原始設備製造商(OEM)必須為測試留出餘裕,以確保面對不斷漂移的軌電壓,提供可靠的系統,這可能導致大幅影響製造良率。解決此問題有一種好辦法:就是接受電源模組不準確這個現實,直接讓系統直接在現場進行自我微調。也就是讓電源晶片的數位伺服迴路從外部微調該模組的輸出電壓,使其準確度隨溫度變化好於±0.25%(參見圖3),讓軌電壓漂移降至最低。除了改善製造良率,該數位伺服迴路也避開模組準確度限制,使為電源模組供電變得更加容易。


圖三 : 新款的數位電源IC可在整個溫度範圍內提供卓越的電壓伺服準確度
圖三 : 新款的數位電源IC可在整個溫度範圍內提供卓越的電壓伺服準確度

準確和溫度補償的 DCR 負載電流監視

為了實現降低功耗的目標,有必要總結出所有工作模式時的負載特性。使用FPGA的工程師會將程式碼進行最佳化,以最大限度降低整體功率,而採用ASIC設計的工程師則是會根據輸送量需求來調節內核電壓。準確即時的遙測大幅簡化了此種任務。


我們希望數位電源管理晶片可以根據電壓、電流和溫度狀態暫存器確定系統是否處於正常狀態,同時多路轉換的16位元的??ADC來監視輸入和輸出電壓、輸出電流、以及內部和外部二極體溫度。


由於內核電壓越來越低的趨勢已不可避免,準確測量負載電流已經變成了一種挑戰,因為使用精確的電流檢測電阻可能導致不可接受的功率損耗。一種選擇是將電感的DC電阻(DCR) 用作電流分流元件。這麼做有幾種優勢,包括零附加功耗、更低的電路複雜性和成本。然而,電感器電阻與溫度有很大的相關性,而且準確測量電感器磁芯的溫度並不容易,會不可避免地導致電流測量誤差(參見圖4)。



圖四 : 一款DC/DC轉換器的熱像顯示了實際電感器溫度和溫度監測點之間的差別
圖四 : 一款DC/DC轉換器的熱像顯示了實際電感器溫度和溫度監測點之間的差別

目前已有公司已經在申請專利的溫度補償演算法,讓數位電源管理晶片達到準確的DCR檢測,該演算法補償從檢測二極體到電感器磁芯的溫度變化率,以及在電感器電流變化和溫度變化之間出現的時差 (參見圖5)。這個功能再配合低雜訊16位元的??ADC,可利用DCR微乎其微的電感器實現負載電流的準確測量(參見圖6)。



圖五 : 數位電源IC用熱阻和延遲參數補償電感器自熱
圖五 : 數位電源IC用熱阻和延遲參數補償電感器自熱
圖六 : 在整個溫度和輸出電流範圍內,針對新款數位電源IC的總電流來測量誤差
圖六 : 在整個溫度和輸出電流範圍內,針對新款數位電源IC的總電流來測量誤差

以PC基礎的軟體設計和故障診斷

把新款的數位電源IC與搭配的開發工具軟體一起使用時,此款IC的故障和警報暫存器允許設計者或現場使用者可以一目了然地確定電源基礎設施的狀態(參見圖7)。在資料記錄中,提供狀態資訊、可用時間和 ADC 遙測最後 500ms 的資料。如果為響應一個故障而禁止了某個通道,那麼資料記錄可以存入受保護的 EEPROM 中。這個 255 位元組的資料塊能一直保持在非揮發性記憶體中,直到以I2C命令清除為止。



圖七 : 開發工具軟體允許設計者透過一個精小的連接器,將PC插入系統,從而使電源管理系統能得到完整的配置和控制,而且一行代碼都不必編寫。
圖七 : 開發工具軟體允許設計者透過一個精小的連接器,將PC插入系統,從而使電源管理系統能得到完整的配置和控制,而且一行代碼都不必編寫。

圖7顯示,在畫面上所看到的資料記錄與內容。此款晶片以這種方式提供了在關鍵故障發生之前,電源系統狀態的完整瞬像,因此有可能在故障一發生時,就可以隔離故障根源。換言之,對於預先發佈特徵和現場故障這類作法,對於一個高可靠度系統來說是一種相當寶貴的功能。


獨立工作

就目前而言,以PC為基礎且易於使用的開發工具軟體可以讓使用者透過USB介面和一個dongle卡配置新款的數位電源IC。該開發工具可以免費提供並可下載,讓設計者在一個直覺性的介面中,配置所有元件參數,以省下開發過程中的大量編碼工作,並加快產品上市。


一旦元件配置最終確定,設計者就可以將參數保存到檔中,並上載到該元件原廠的工廠中。該公司便可以用該檔預設定元件,從而使客戶能最便利地對電路板開發與運行狀況進行檢驗。當內建 EEPROM 配置完成後,晶片就能徹底地自主工作,而無需客製軟體。此外,增加一個精小的連接器,就可允許開發軟體與晶片進行系統內的溝通,從而使現場使用者能按照需要存取遙測、系統狀態以及故障記錄資料。


結論

隨著市場需求的水漲船高,伺服器電源設計也愈趨複雜,很明顯的,數位電源管理在透過EEPROM與以電腦為基礎的軟體開發工具下,對於複雜的電源設計,像是多壓軌設計或是溫度的精準度的提升等,都有機會大幅簡化。再加上數位化設計的概念,更能達成高度客製化的目標,在完成設計後,再交給原廠進行量產,也不失為一種安全而穩定的作法


(本文作者現為凌力爾特混合訊號產品設計經理)


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