通信設(shè)備制造商需要高功率輸出和小尺寸解決方案

許多通信系統(tǒng)通過(guò)48 V背板供電。該電壓通常降壓至較低的中間總線電壓，通常降至12 V、5 V甚至更低，以便為系統(tǒng)內(nèi)的電路板機(jī)架供電。但是，這些電路板上的大多數(shù)子電路或IC都需要在3.x V至低至0.5 V的電壓范圍內(nèi)工作，電流范圍從幾十毫安到幾百安。因此，負(fù)載點(diǎn)（PoL）DC-DC轉(zhuǎn)換器需要從這些較高的總線電壓降壓到子電路或IC所需的較低電壓。好像這本身還不夠困難，這些電源軌對(duì)排序、電壓精度、裕量和監(jiān)控也有嚴(yán)格的要求，這也需要考慮！

由于通信設(shè)備中可能有數(shù)百個(gè)PoL電壓軌，系統(tǒng)架構(gòu)師需要一種直接的方法來(lái)管理這些電壓軌的輸出電壓、時(shí)序和最大允許電流。當(dāng)今許多深亞微米IC數(shù)字處理器要求其I/O電壓先于內(nèi)核電壓上升?；蛘?，許多DSP要求在I/O之前提高其內(nèi)核電壓。此外，關(guān)斷時(shí)序也是必要的。因此，系統(tǒng)架構(gòu)師需要一種輕松的方法來(lái)進(jìn)行更改，以優(yōu)化系統(tǒng)性能，并存儲(chǔ)每個(gè)DC-DC轉(zhuǎn)換器的特定配置，以簡(jiǎn)化設(shè)計(jì)工作。

此外，大多數(shù)通信設(shè)備制造商都在努力提高其系統(tǒng)的數(shù)據(jù)吞吐率和性能，以及添加更多功能和特性。同時(shí)，正在施加壓力以降低系統(tǒng)的整體功耗。例如，一個(gè)典型的挑戰(zhàn)是通過(guò)重新安排工作流并將作業(yè)移動(dòng)到未充分利用的服務(wù)器來(lái)降低總體功耗，從而關(guān)閉其他服務(wù)器。為了滿足這些需求，了解最終用戶設(shè)備的功耗至關(guān)重要。因此，正確設(shè)計(jì)的數(shù)字電源管理系統(tǒng)（DPSM）可以為用戶提供功耗數(shù)據(jù)，從而做出明智的能源管理決策。

DPSM 的一個(gè)主要優(yōu)點(diǎn)是降低設(shè)計(jì)成本并加快上市時(shí)間。使用具有直觀圖形用戶界面 （GUI） 的綜合開(kāi)發(fā)環(huán)境，可以高效地開(kāi)發(fā)復(fù)雜的多軌系統(tǒng)。此類系統(tǒng)還通過(guò)GUI進(jìn)行更改，而不是焊接白線固定，從而簡(jiǎn)化了在線測(cè)試（ICT）和電路板調(diào)試。另一個(gè)好處是，由于實(shí)時(shí)遙測(cè)數(shù)據(jù)的可用性，可以預(yù)測(cè)電力系統(tǒng)故障并采取預(yù)防措施。也許最重要的是，具有數(shù)字管理功能的DC-DC轉(zhuǎn)換器允許設(shè)計(jì)人員開(kāi)發(fā)滿足目標(biāo)性能（計(jì)算速度、數(shù)據(jù)速率等）的綠色電源系統(tǒng)，同時(shí)在負(fù)載點(diǎn)、電路板、機(jī)架甚至安裝級(jí)別以最低的能耗，從而降低基礎(chǔ)設(shè)施成本和產(chǎn)品生命周期內(nèi)的總擁有成本。畢竟，數(shù)據(jù)中心最大的運(yùn)營(yíng)成本是用于為冷卻系統(tǒng)供電的電力成本，以保持?jǐn)?shù)據(jù)中心內(nèi)部低于其預(yù)定義的最佳工作溫度。

此外，系統(tǒng)架構(gòu)師仍然需要一些相對(duì)簡(jiǎn)單的電源轉(zhuǎn)換器來(lái)滿足其電路板上的各種其他電源軌，但放置它們的電路板面積不斷縮小。這部分是由于無(wú)法將這些轉(zhuǎn)換器安裝在電路板的底部，因?yàn)槎鄠€(gè)板并排放置在機(jī)架安裝配置中，因此對(duì)它們施加了 2 mm 的最大組件高度限制。他們真正想要的是一個(gè)小尺寸的完整電源，當(dāng)安裝在印刷電路板（PCB）上時(shí)不超過(guò)2毫米。幸運(yùn)的是，這樣的解決方案確實(shí)存在，本文將更詳細(xì)地討論。

轉(zhuǎn)換器解決方案

ADI公司的線性電源?μModule穩(wěn)壓器是完整的系統(tǒng)級(jí)封裝（SiP）解決方案，可最大限度地縮短設(shè)計(jì)時(shí)間，并解決通信系統(tǒng)中常見(jiàn)的電路板空間和功率密度問(wèn)題。這些μModule產(chǎn)品是完整的電源管理解決方案，集成了DC-DC控制器、功率晶體管、輸入和輸出電容、補(bǔ)償元件和電感器，采用緊湊的表面貼裝BGA或LGA封裝。使用線性μModule產(chǎn)品進(jìn)行設(shè)計(jì)可以將完成設(shè)計(jì)過(guò)程所需的時(shí)間減少多達(dá)50%，具體取決于設(shè)計(jì)的復(fù)雜程度。該系列μModule穩(wěn)壓器將元件選擇、優(yōu)化和布局的設(shè)計(jì)負(fù)擔(dān)從設(shè)計(jì)人員轉(zhuǎn)移到器件，從而縮短整體設(shè)計(jì)時(shí)間和系統(tǒng)故障排除，并最終縮短上市時(shí)間。?

這些μModule解決方案將分立電源、信號(hào)鏈和隔離設(shè)計(jì)中常用的關(guān)鍵元件集成在一個(gè)緊湊的IC類外形中。在 Power by Linear 嚴(yán)格的測(cè)試和高可靠性流程的支持下，我們的 μModule 產(chǎn)品組合簡(jiǎn)化了電源管理和轉(zhuǎn)換設(shè)計(jì)的設(shè)計(jì)和布局。該產(chǎn)品系列涵蓋廣泛的應(yīng)用，包括負(fù)載點(diǎn)穩(wěn)壓器、電池充電器、DPSM 產(chǎn)品（PMBus 數(shù)字管理電源）、隔離式轉(zhuǎn)換器、電池充電器和 LED 驅(qū)動(dòng)器。作為高度集成的解決方案，每個(gè)器件都提供PCB Gerber文件，這些μModule功率穩(wěn)壓器解決了時(shí)間和空間限制，同時(shí)提供了高效率和可靠性。此外，我們的許多新產(chǎn)品可實(shí)現(xiàn)符合EN 55022 B類標(biāo)準(zhǔn)的低EMI解決方案。這使系統(tǒng)設(shè)計(jì)人員確信終端系統(tǒng)將滿足嚴(yán)格的噪聲性能標(biāo)準(zhǔn)，以符合終端系統(tǒng)必須滿足的許多抗噪行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)。

此外，隨著系統(tǒng)復(fù)雜性的增加和設(shè)計(jì)周期的縮短，設(shè)計(jì)資源變得捉襟見(jiàn)肘，重點(diǎn)落在了系統(tǒng)關(guān)鍵知識(shí)產(chǎn)權(quán)的開(kāi)發(fā)上。這通常意味著電源被放在一邊，直到開(kāi)發(fā)周期的后期。由于時(shí)間很少，而且專業(yè)電源設(shè)計(jì)資源可能有限，因此需要以盡可能小的尺寸提出高效率解決方案，同時(shí)利用PCB的底面以實(shí)現(xiàn)最大的空間利用率，這是巨大的壓力。

這是μModule穩(wěn)壓器可以提供理想解決方案的關(guān)鍵領(lǐng)域。這個(gè)概念內(nèi)部很復(fù)雜，但外部很簡(jiǎn)單——開(kāi)關(guān)穩(wěn)壓器的效率和線性穩(wěn)壓器的設(shè)計(jì)簡(jiǎn)單性。仔細(xì)的設(shè)計(jì)、PCB布局和元件選擇在開(kāi)關(guān)穩(wěn)壓器的設(shè)計(jì)中非常重要，許多經(jīng)驗(yàn)豐富的設(shè)計(jì)人員在職業(yè)生涯的早期就聞到了燃燒電路板的獨(dú)特香氣。當(dāng)時(shí)間緊迫或電源設(shè)計(jì)專業(yè)知識(shí)有限時(shí)，現(xiàn)成的μModule穩(wěn)壓器不僅可以節(jié)省時(shí)間和空間，還可以降低程序風(fēng)險(xiǎn)。

超薄μModule解決方案的最新示例是LTM4622。這是一款雙通道 2.5 A 或單路兩相 5 A 輸出降壓型電源穩(wěn)壓器，采用 6.25 mm × 6.25 mm × 1.8 mm 超薄 LGA 封裝。其高度接近焊接的 1206 外殼尺寸電容器的高度，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(jì)算系統(tǒng)中 PCIe 和高級(jí)夾層卡所需的高度限制。

此外，LTM4622A 最近也發(fā)布了。作為L(zhǎng)TM4622的變體，此A版本具有1.5 V至12 V的更高輸出電壓，取代0.6 V至5.5 V的非A版本。這使得系統(tǒng)設(shè)計(jì)人員能夠在終端系統(tǒng)需要時(shí)在高端擁有更寬的輸出電壓范圍。無(wú)論哪種情況，輸入電壓范圍均為3.6 V至20 V。 凌力爾特μModule DC-DC穩(wěn)壓器也提供了一種提供高功率和DPSM功能的簡(jiǎn)單方法。由于許多μModule穩(wěn)壓器可以并聯(lián)以實(shí)現(xiàn)高負(fù)載電流，并具有精密電流匹配（彼此的標(biāo)稱值在1%以內(nèi)），因此它們可以減輕熱點(diǎn)的可能性。此外，只有一個(gè)μModule穩(wěn)壓器需要包含DPSM功能，因?yàn)榧词蛊溆嗟摩蘉odule并聯(lián)器件沒(méi)有內(nèi)置DPSM功能，它也可以提供完整的數(shù)字接口。

使用 DPSM 設(shè)備，系統(tǒng)設(shè)計(jì)人員可以執(zhí)行許多不同的操作，包括：

通過(guò)數(shù)字通信總線配置電壓，定義復(fù)雜的開(kāi)/關(guān)排序安排，定義OV和UV限制等故障條件，以及設(shè)置重要的電源參數(shù)，如開(kāi)關(guān)頻率、電流限制等。

通過(guò)同一通信總線，可以回讀重要的操作參數(shù)，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(nèi)部和外部溫度，以及在我們的某些產(chǎn)品中測(cè)量能耗。

個(gè)人可以對(duì)其設(shè)計(jì)實(shí)施非常精確的閉環(huán)裕量測(cè)試，并將電源電壓調(diào)整到非常精確的水平。

這些設(shè)備被設(shè)計(jì)為自主的。一旦配置并施加輸入電源，它們就會(huì)對(duì)電源進(jìn)行排序，在負(fù)載點(diǎn)調(diào)節(jié)非常精確的電壓，在實(shí)施用戶可配置的故障管理方案的同時(shí)持續(xù)監(jiān)控電壓和電流，并布防非易失性故障記錄器，該記錄器在檢測(cè)到故障時(shí)存儲(chǔ)有關(guān)電源系統(tǒng)的信息。

DPSM 設(shè)備可以級(jí)聯(lián)以構(gòu)建相干的大型電源系統(tǒng)。這是通過(guò)以有線速度運(yùn)行的芯片間協(xié)調(diào)總線實(shí)現(xiàn)的。

它們包括用于設(shè)備配置和故障記錄功能的內(nèi)部 NVM。

這些設(shè)備包含 I2C/PMBus 通信端口，并使用行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)的 PMBus 命令集來(lái)控制和管理電源系統(tǒng)。

這些 PSM 器件均由通用的 LTpowerPlay GUI 提供支持。LTpowerPlay是一款工程級(jí)GUI，在開(kāi)發(fā)時(shí)考慮了電源系統(tǒng)設(shè)計(jì)和調(diào)試以及遠(yuǎn)程客戶支持。?

因此，圖2顯示了180 A Plus DPSM PoL解決方案的一個(gè)LTM4677 （36 A DPSM μModule穩(wěn)壓器）與三個(gè)LTM4650 s（50A μModule穩(wěn)壓器）并聯(lián)的應(yīng)用原理圖。

圖2.一個(gè)LTM4677 DPSM μModule器件和三個(gè)LTM4650 μModule穩(wěn)壓器的組合采用標(biāo)稱12 V輸入，在1 V時(shí)提供186 A電流。

結(jié)論

在當(dāng)今的通信設(shè)備中具有DPSM功能和超薄型電源轉(zhuǎn)換器件，為電源設(shè)計(jì)人員提供了簡(jiǎn)單而強(qiáng)大的方法，可以在低至0.5 V的內(nèi)核電壓下提供高功率輸出，在整個(gè)溫度范圍內(nèi)最大直流輸出誤差為±0.5%，例如最新的20納米以下ASIC、GPU和FPGA所需的誤差。如果存在外形限制，則利用超薄型μModule穩(wěn)壓器（如LTM4622A）安裝在電路板上的外形小于2 mm，允許在底部使用電路板空間，否則這些空間將無(wú)法充分利用。這不僅節(jié)省了昂貴的PCB空間，而且由于其整體運(yùn)行效率而減少了所需的冷卻量。

最后，在通信設(shè)備中使用μModule穩(wěn)壓器是有意義的，因?yàn)樗鼈兛梢燥@著縮短調(diào)試時(shí)間，并允許更大的電路板面積使用。這降低了基礎(chǔ)設(shè)施成本，以及系統(tǒng)生命周期內(nèi)的總擁有成本。對(duì)于設(shè)計(jì)和制造這種設(shè)備的公司以及一旦它們安裝在數(shù)據(jù)中心使用它們的公司來(lái)說(shuō)，這是雙贏的。

審核編輯：郭婷