摘要

在現(xiàn)代數(shù)據(jù)中心電源架構(gòu)中，1/4磚(QB)解決方案發(fā)揮著關(guān)鍵作用，能夠?qū)⒅虚g總線電壓轉(zhuǎn)換為穩(wěn)壓輸出來驅(qū)動先進(jìn)處理器。為了滿足嚴(yán)格的性能和可靠性要求，數(shù)字電源系統(tǒng)管理器(PSM)的集成已必不可少。一款全新雙通道、±60 V PSM集成了16位ADC，可實(shí)現(xiàn)精確的電壓、電流和溫度遙測，并支持可編程時序控制、片內(nèi)伺服調(diào)整、電源軌跟蹤及自主故障管理。這些功能可確保實(shí)現(xiàn)穩(wěn)健的監(jiān)測、精簡的數(shù)字化控制和PMBus®兼容，充分滿足48 V數(shù)據(jù)中心機(jī)架應(yīng)用的關(guān)鍵需求。

本文將介紹這款PSM集成到1/4磚解決方案參考設(shè)計(jì)時的優(yōu)勢及挑戰(zhàn)，并重點(diǎn)討論如何在下一代電源子系統(tǒng)中實(shí)現(xiàn)高精度監(jiān)測、可靠的時序控制和先進(jìn)的數(shù)字化控制。

引言

電信和數(shù)據(jù)通信電源系統(tǒng)越來越依賴高效的48 V中間總線，并越來越多地使用標(biāo)準(zhǔn)1/4磚(QB)尺寸的熱插拔DC-DC轉(zhuǎn)換器。隨著新興行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)的出臺，集成PMBus®接口并配備穩(wěn)健的保護(hù)電路已成為強(qiáng)制性要求。這清晰地表明，機(jī)架服務(wù)器和網(wǎng)絡(luò)設(shè)備正全面轉(zhuǎn)向數(shù)字化管理的電源系統(tǒng)。

LTC2971非常適合滿足這些要求。它可對-60 V到+60 V的兩個穩(wěn)壓軌進(jìn)行時序控制和調(diào)整，實(shí)現(xiàn)可編程故障響應(yīng)，并將關(guān)鍵事件記錄到片上EEPROM。它原生集成了PMBus接口，支持與標(biāo)準(zhǔn)系統(tǒng)監(jiān)測架構(gòu)無縫集成；同時，它具有數(shù)字電源系統(tǒng)管理(DPSM)功能，包括時序控制、裕量測試、故障檢測和遙測，如今已是復(fù)雜電源平臺必不可少的能力。憑借內(nèi)部EEPROM和獨(dú)立看門狗，系統(tǒng)能夠?qū)崿F(xiàn)自主運(yùn)行，有效減少主機(jī)干預(yù)，從而提升整體可靠性。

1/4磚解決方案通常提供一個模擬調(diào)整輸入信號(VADJ)，用于微調(diào)電壓。這款PSM直接與RUN/ENABLE、VOUT_SNS/FB和溫度檢測引腳連接，而其ISENSE輸入可利用電感DCR或外部分流器來準(zhǔn)確測量輸出電流。它具有精密VDAC輸出，支持通過電阻分壓器實(shí)現(xiàn)輸出電壓精細(xì)調(diào)整。在電源板上集成電源系統(tǒng)管理器(PSM)后，設(shè)計(jì)人員可通過PMBus對所有軌電壓、電流和板溫度進(jìn)行集中式高精度數(shù)字遙測。相較于往往難以滿足數(shù)據(jù)中心嚴(yán)格性能要求的傳統(tǒng)模擬監(jiān)測解決方案，這種方案的精度和靈活性大幅提升。

1/4磚解決方案

2 kW 1/4磚解決方案1參考設(shè)計(jì)采用高可靠性四相架構(gòu)，利用ADI最新的DC-DC中間總線轉(zhuǎn)換器(IBC)和耦合電感實(shí)現(xiàn)出色的電源傳輸。集成的遙測功能可通過I2C/PMBus提供連續(xù)電壓監(jiān)測、快速故障檢測和實(shí)時配置。這款解決方案采用標(biāo)準(zhǔn)化尺寸設(shè)計(jì)，可無縫集成到各類客戶平臺中，有效提升系統(tǒng)的靈活性、效率和易用性。參見圖1。

圖1.1/4磚解決方案參考設(shè)計(jì)框圖，采用ADI的48 V IBC MAX17651和LTC2971

關(guān)于1/4磚解決方案的主要結(jié)論與集成需求

LTC2971與1/4磚轉(zhuǎn)換器的集成可帶來多項(xiàng)關(guān)鍵優(yōu)勢。

精準(zhǔn)遙測

這款PSM通過高分辨率ADC來準(zhǔn)確監(jiān)測電壓和溫度。在1/4磚電路板上，它報(bào)告的輸出電壓和溫度的精度在約±0.5-1.0%范圍內(nèi)，因此設(shè)計(jì)人員能夠精準(zhǔn)規(guī)劃功率預(yù)算。電壓、電流和溫度的可靠測量，讓工程師能夠深入了解解決方案在不同條件下的行為，進(jìn)而在保障安全的前提下，充分挖掘性能潛力。工程師可以在EEPROM中寫入?yún)?shù)限值，并根據(jù)遙測數(shù)據(jù)微調(diào)警報(bào)閾值，從而確保解決方案始終以最高性能運(yùn)行，同時避免觸發(fā)不必要的故障警報(bào)。參見圖2。

數(shù)字化控制和時序控制

數(shù)據(jù)中心的一項(xiàng)關(guān)鍵要求是上電時序必須精準(zhǔn)，以確保1/4磚解決方案安全、可控、及時地為處理器供電。這款PSM實(shí)現(xiàn)了多電源軌啟動、關(guān)斷和電壓裕量微調(diào)的完全自動化，支持對所有電源軌進(jìn)行基于時間的時序控制和跟蹤式時序控制。它還能級聯(lián)多個1/4磚解決方案，以實(shí)現(xiàn)可擴(kuò)展設(shè)計(jì)。PSM DRV_EN/RUN和VOUT_EN參數(shù)，包括上電延遲、上升時間和時序控制策略，均可通過PMBus命令進(jìn)行編程設(shè)置，確保互連電源軌始終以協(xié)調(diào)的方式上電和關(guān)斷。這種受控時序可使每次電源循環(huán)中的電壓過沖和下沖最小化，從而增強(qiáng)數(shù)據(jù)中心機(jī)架的可靠性。

圖2.LTC2971電壓、電流和溫度遙測表

故障管理

這款PSM的一個重要優(yōu)勢是具有穩(wěn)健的集成故障管理和事件日志記錄功能。針對電壓或溫度違規(guī)情況，可配置觸發(fā)鎖存關(guān)斷、自動重試或受控斜坡下降。值得注意的是，這款PSM會持續(xù)在RAM中緩沖狀態(tài)和遙測數(shù)據(jù)；一旦檢測到故障，它會自動將這些數(shù)據(jù)提交并保存到非易失性EEPROM中。這種“黑匣子”功能可保留故障時刻的電壓、電流和溫度的完整快照，為之后的精準(zhǔn)根因分析提供可靠依據(jù)。如LTC2971數(shù)據(jù)手冊中的概念圖所示，當(dāng)發(fā)生故障事件時，循環(huán)緩沖區(qū)內(nèi)容會自動轉(zhuǎn)移到EEPROM。與基本的PMBus故障寄存器或外部看門狗不同，PSM會記錄完整的運(yùn)行狀態(tài)，而不僅僅是標(biāo)記錯誤。這些高級特性能夠增強(qiáng)1/4磚解決方案的可靠性，支持詳細(xì)的生命周期評估，并通過持續(xù)監(jiān)測和記錄來延長運(yùn)行壽命。參見圖3。

圖3.LTC2971故障設(shè)置配置表

PMBus集成

數(shù)據(jù)中心規(guī)范要求具備穩(wěn)健的通信接口并支持PMBus協(xié)議。作為一款符合PMBus標(biāo)準(zhǔn)的器件，這款PSM遵循行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)，可與現(xiàn)有系統(tǒng)管理平臺無縫集成。其狀態(tài)監(jiān)測和控制功能可通過標(biāo)準(zhǔn)PMBus命令使用，而且支持LTpowerPlay®以簡化配置。因此，設(shè)計(jì)團(tuán)隊(duì)可以離線定義寄存器設(shè)置，如電壓軌、限值和時序，然后將其直接寫入EEPROM，從而顯著縮短開發(fā)時間。此外，這款PSM的雙向FAULTB引腳允許多個器件根據(jù)需要共享或隔離故障線路，有助于實(shí)現(xiàn)靈活的故障管理。總體而言，相較于純模擬解決方案，數(shù)字化控制能力（包括伺服調(diào)整和時序控制）為高級電源管理的實(shí)現(xiàn)提供了更高效的途徑。

實(shí)施結(jié)果

在1/4磚解決方案電路板上2，已證實(shí)這款PSM能夠可靠地對IBC的運(yùn)行、輸入電壓和性能指標(biāo)進(jìn)行監(jiān)測。PMBus遙測保持穩(wěn)定，并與經(jīng)校準(zhǔn)的臺式數(shù)字萬用表(DMM)測量結(jié)果一致。經(jīng)故障注入測試確認(rèn)，這款PSM正確地關(guān)閉了故障通道，并在MFR_FAULT_LOG寄存器中準(zhǔn)確記錄了相關(guān)事件。系統(tǒng)級驗(yàn)證表明，集成的數(shù)字電源管理沒有引入額外的噪聲或不穩(wěn)定性，同時受控的軟啟動算法有效防止了柵極驅(qū)動器直通，使得輸出波形干凈穩(wěn)定。I2C接口支持100 kHz至400 kHz的可編程頻率范圍，能夠靈活適應(yīng)不同通信要求。電壓和溫度讀數(shù)與手冊數(shù)據(jù)高度一致，誤差分別在±0.1%和±0.5%范圍內(nèi)。參見圖4。

綜合這些結(jié)果可以看出，LTC2971通過提供高保真監(jiān)測、細(xì)粒度控制和詳細(xì)診斷數(shù)據(jù)，有效增強(qiáng)了1/4磚電源解決方案。憑借PMBus兼容性，它能夠用于最新電信系統(tǒng)，且?guī)缀醪粫龅交ゲ僮餍詥栴}。參見圖5。

圖4.適用于54 V轉(zhuǎn)12 V系統(tǒng)應(yīng)用的ADI參考設(shè)計(jì)，連接到LTpowerPlay

圖5.適用于54 V轉(zhuǎn)12 V系統(tǒng)應(yīng)用的ADI 1/4磚解決方案參考設(shè)計(jì)硬件

結(jié)語

通過將LTC2971 PSM集成到1/4磚解決方案參考設(shè)計(jì)中，為直流電源系統(tǒng)帶來了顯著的優(yōu)勢。片內(nèi)16位遙測輸入支持高精度監(jiān)測，滿足嚴(yán)格的直流精度要求。內(nèi)置的時序控制和閉環(huán)調(diào)整功能，使系統(tǒng)能夠?qū)崿F(xiàn)精準(zhǔn)的多電源軌啟動和關(guān)斷控制，而PMBus接口確保能與現(xiàn)代機(jī)架管理基礎(chǔ)設(shè)施無縫集成。自主故障記錄功能可提供模擬電路難以獨(dú)立實(shí)現(xiàn)的高級診斷能力。以上功能特性的引入確實(shí)要求設(shè)計(jì)人員關(guān)注額外的因素，包括精心的配置、校準(zhǔn)和可靠的總線操作。但由此帶來的可靠性、可見性和控制能力的提升，通常足以抵消這些額外負(fù)擔(dān)。隨著電信和數(shù)據(jù)中心應(yīng)用對自動化、網(wǎng)絡(luò)管理的電源子系統(tǒng)的需求不斷增長，像PSM這樣的器件有望成為標(biāo)準(zhǔn)構(gòu)建模塊，為下一代電源架帶來穩(wěn)健的數(shù)字化控制和精準(zhǔn)遙測能力。

但需要注意的是，在需要并聯(lián)九個以上電源解決方案的應(yīng)用場景中，受限于PMBus的尋址能力，這款PSM可能不再具有明顯優(yōu)勢。在這種情況下，其他具備先進(jìn)尋址能力的ADI PSM IC更為合適。

參考文獻(xiàn)

1 Karl Audison Cabas和Christian Cruz，“助力未來創(chuàng)新：中間總線轉(zhuǎn)換器——第1部分：優(yōu)勢”，ADI公司，2025年7月。

2 Karl Audison Cabas和Christian Cruz，“助力未來創(chuàng)新：中間總線轉(zhuǎn)換器——第2部分：性能”，ADI公司，2025年7月。