Подписка на новости

Опрос

Нужны ли комментарии к статьям? Комментировали бы вы?

Реклама

 

2014 №9

Программное управление аппаратной частью системы питания

Сачдев Пинкеш (Pinkesh Sachdev)


Учитывая современные тенденции в конструировании локализованных к нагрузке источников питания, компания Linear Technology с нуля разработала законченное решение для управления системой питания. Основной принцип его устройства заключается в том, что контуры обратной связи источников питания остаются аналоговыми, а в цифровом виде реализованы интерфейсы связи и управления.

Введение

Архитекторам и проектировщикам систем питания цифровых плат на базе специализированных ИС, ПЛИС и микропроцессоров есть от чего испытывать легкую зависть к своим коллегам, занимающимся программным обеспечением, если учесть сравнительные преимущества, которыми те пользуются:

  • От написания кода до наблюдения за результатами его работы проходит гораздо меньше времени, чем занимает одна ревизия аппаратной части печатной платы. Сроки вывода изделия на рынок ограничены в основном производительностью процессов программирования и тестирования, а влияние внешних факторов не столь велико.
  • Обновления программного обеспечения, предназначенные для исправления ошибок и улучшения эксплуатационных характеристик, рассылаются клиентам по мере необходимости. Обновление аппаратной части подразумевает отзыв плат для переделки.
  • Производительность программного кода легко отслеживается дистанционно в комфортных условиях рабочего места, делается это по данным из журналов. Узкие места выявляются оперативно, что позволяет быстро вносить коррективы. Разработчики же аппаратной части проводят много времени в лаборатории, согнувшись над платами с вольтметром и щупами осциллографа.
  • Можно написать один базовый набор модульного кода и затем адаптировать его к нуждам различных клиентов и сегментов рынка. Для адаптации аппаратной части необходимы изменения в компонентах и спецификации, что влечет риск слишком сильных расхождений между версиями.

Тенденции, усложняющие работу архитекторов и проектировщиков систем питания

Усугубляет ситуацию то, что напряжения питания современных цифровых плат с микросхемами, выполненными по нанометровым технологиям (заказные ИС, ПЛИС, микропроцессоры, цифровые сигнальные процессоры), демонстрируют тенденцию к дальнейшему сокращению до уровней ниже 1 В. Допуски на напряжение локализованных к нагрузке источников питания сужаются, приближаясь к 2-3%, причем бюджет погрешности включает точность установки постоянной составляющей, пульсации и переходные процессы при ступенчатом изменении нагрузки. Заметим, что 3% для источника питания напряжением 0,9 В — это всего 27 мВ. Со снижением напряжений питания и увеличением числа ядер в процессорах возрастают уровни токов, в отдельных случаях превышая 100 А. Поддерживать напряжение на входе процессора с точностью до нескольких десятков милливольт, притом что через проводники питания и «земли» печатной платы протекают токи в сотни ампер — сложнейшая задача на проектирование схемы разводки питания. Одновременно присутствует запрос на более рациональное расходование энергии процессорами для снижения затрат на энергоснабжение и охлаждение центров обработки данных. Шасси серверов нагреваются все сильнее, и рабочие температуры плат приближаются к 100 °C. Циклы проектирования сокращаются, но то и дело возникает необходимость корректировать конструкции в последний момент в зависимости от результатов перегрузочных испытаний, а также потребностей конкретных клиентов и сегментов рынка. Последовательное включение и выключение — общее требование к платам с несколькими источниками питания, но сложность подобных схем возрастает в условиях, когда имеется от 20 до 50 источников, рассчитанных на разные типы цепей.

Традиционные решения

Задачи управления питанием, такие как последовательное включение и выключение, контроль управления, мониторинг и поддержание запаса по мощности, традиционно решаются набором разнотипных устройств — супервизоров, секвенсоров, АЦП, ЦАП, усилителей и микроконтроллеров. Большую часть усилий при проектировании приходится тратить на координацию работы этих устройств. На базе супервизоров и секвенсоров возникли интегрированные решения с дополнительными возможностями обеспечения запаса по мощности, мониторинга АЦП и регистрации отказов в ЭСППЗУ. Но такие решения характеризуются невысокой точностью по напряжению в части функций подстройки, поддержания запаса по мощности и мониторинга. Существуют и однокристальные системы (SoC), которые объединяют многочисленные цифровые блоки, логику, АЦП, ЦАП, компараторы и ШИМ-выходы. За отсутствием какой-либо архитектуры управления питанием они требуют обстоятельного программирования для выполнения даже простейших задач, отчего на проектирование и проверку корректности уходят месяцы.

Тенденция к переходу на цифровое управление привела к возникновению цифровых решений для управления питанием, у которых в контуре обратной связи DC/DC-преобразователя есть АЦП, цифровой компенсатор и цифровой ШИМ. Из-за квантования сигнала в цифровых контурах выходное напряжение таких систем характеризуется повышенным уровнем шума и пульсаций. Кроме того, они обычно медленнее реагируют на переходные процессы, менее точны, а подчас демонстрируют неустойчивое, непредсказуемое поведение. Аналоговые контуры обратной связи работают быстрее, не столь шумны и ведут себя намного более предсказуемо. Для управления множеством локализованных к нагрузке источников питания необходимы цифровое конфигурирование и цифровая связь с отдельными источниками, но сами контуры обратной связи источников можно оставить аналоговыми, чтобы извлечь максимум преимуществ из аналоговой и цифровой составляющих.

Законченное решение

Учитывая современные тенденции в конструировании локализованных к нагрузке источников питания, компания Linear Technology с нуля разработала законченное решение для управления системой питания. Основной принцип его устройства заключается в том, что контуры обратной связи источников питания остаются аналоговыми, а в цифровом виде реализованы интерфейсы связи и управления. Блок-схема такого решения показана на рис. 1. Семейство ИС управления системой питания включает широкий спектр взаимосовместимых приборов со встроенным DC/DC-преобразователем и без такового, как показано на рис. 2. Все эти устройства взаимодействуют с контроллером платы через стандартный интерфейс PMBus. Выбор интерфейса PMBus помогает сократить сроки проектирования за счет возможности многократного использования микропрограммного обеспечения. Те, кто предпочитает автономную работу без написания кода, могут воспользоваться инженерно-конструкторской программой для настройки конфигурации под названием LTpowerPlay.

Архитектура управления системами питания компании Linear Technology

Рис. 1. Архитектура управления системами питания компании Linear Technology (локализованные к нагрузке источники остаются аналоговыми, а связь с ними и управление реализованы в цифровой форме)
Типы устройств в архитектуре управления системами питания компании Linear Technology

Рис. 2. Типы устройств в архитектуре управления системами питания компании Linear Technology (каждому типу соответствует несколько устройств в зависимости от количества обслуживаемых шин питания)

Среди всех этих устройств, удовлетворяющих стандарту PMBus, можно выделить диспетчеры системы питания — устройства, которые отвечают за сопряжение с имеющейся аналоговой системой питания. Они измеряют выходное напряжение источника питания (ИП), используя 16-разрядный АЦП с погрешностью 0,25%, сравнивают результат измерения со значением в регистре уставки напряжения и выполняют коррекцию с помощью 10-разрядного ЦАП, напряжение с которого подается на входной контакт обратной связи или подстройки ИП. Точность АЦП, равная ±0,25%, оставляет хороший запас на переходные процессы в источнике при ступенчатом изменении нагрузки, в результате чего снижаются требования к развязывающим конденсаторам и, следовательно, экономится место на печатной плате. Долговременную надежность платы повышает подстроечный следящий контур, который непрерывно контролирует и корректирует параметры источника, предотвращая их временной и температурный дрейф. Тем самым сокращается отбраковка плат по итогам перегрузочных испытаний благодаря точной установке напряжений источников. Функция подстройки также позволяет варьировать напряжения ИП для оптимизации энергопотребления при заданной нагрузке системы. Значения напряжения, тока и температуры, поступающие с АЦП, дают богатую информацию о характеристиках системы, которую можно использовать для повышения надежности плат, снижения их энергопотребления и прогнозирования замены. Сокращаются сроки вывода изделия на рынок, так как многие корректировки в конструкции можно выполнять без изъятия платы из производственного цикла — простым изменением содержимого регистров конфигурации.

Еще одна замечательная возможность диспетчеров системы питания — регистрация неисправностей во внутреннем ЭСППЗУ. Анализ данных мониторинга с АЦП за последние несколько циклов, сохраняемых в энергонезависимой памяти при возникновении отказа, радикально ускоряет диагностику отказов. Кроме того, в диспетчерах предусмотрена дистанционная диагностика. При интеграции с более высокоуровневым программным обеспечением появляется возможность мониторинга и диагностики системы питания платы из удаленной точки. Аналогичным образом можно дистанционно обновить микропрограмму на месте эксплуатации. В зависимости от устройства последовательное включение и выключение реализуется посредством временных задержек или каскадирования; поддерживаются также следящие ИП. На рис. 3 изображен 16-канальный диспетчер системы питания LTM2987. Если требуется управлять более чем 16 источниками, можно легко скоординировать работу LTM2987 с другими диспетчерами.

LTM2987 — 16-канальный микромодульный диспетчер системы питания с интерфейсом PMBu

Рис. 3. LTM2987 — 16-канальный микромодульный диспетчер системы питания с интерфейсом PMBus, обеспечивающий подстройку, поддержание запаса по мощности и мониторинг с точностью 0,25%

Диспетчеры системы питания — идеальный выбор для уже имеющейся системы питания с четырьмя и более шинами. DC/DC-контроллеры с функциями управления системой питания лучше подходят в случае, когда необходимо цифровое управление ограничением выходного тока, частотой переключения и скоростью линейного изменения напряжения. Эти устройства оснащены быстродействующими аналоговыми контурами обратной связи по току, имеющими оптимальные характеристики переходного режима, а также цифровыми подсистемами телеметрии, конфигурирования и управления. Точное многофазное распределение тока позволяет снизить пульсации на входе и рассредоточить тепловыделение в системах с большими токами. В составе микромодулей интегрированы также импульсные N-канальные полевые МОП-транзисторы, дроссель и конденсаторы. На рис. 4 изображен микромодуль LTM4676, представляющий собой компактное решение на выходной ток 26 А.

LTM4676 — микромодульный стабилизатор на выходной ток 2x13 А

Рис. 4. LTM4676 — микромодульный стабилизатор на выходной ток 2×13 А или 1×26 А с цифровым управлением системой питания

Заключение

Управление системой питания — необходимая функциональность для современных цифровых плат с большим количеством шин питания. Большинство представленных

на рынке решений спроектировано как надстройка над секвенсорами или содержит ряд функциональных блоков, требующих обстоятельного программирования. Тщательно проанализировав эту проблему, проектировщики из компании Linear Technology создали законченное универсальное решение с целостной архитектурой и заделом на будущее в виде семейства взаимосовместимых устройств, призванных облегчить задачу разработчиков аппаратного обеспечения.

Другие статьи по данной теме:

Сообщить об ошибке