如何設(shè)計(jì)數(shù)字控制的LDO穩(wěn)壓器電路，以實(shí)現(xiàn)電壓和電流監(jiān)測(cè)

與十年前相比，如今的電源需要更靈活的電源解決方案和更多的數(shù)字控制，特別是在服務(wù)器云計(jì)算領(lǐng)域。利用電阻和電容脫焊以調(diào)整電壓控制環(huán)路的時(shí)代早已一去不返。

回溯歷史，數(shù)字電源控制是從帶有PMBus接口的單相負(fù)載點(diǎn)（POL）變換器開始的。如今，它已演變?yōu)槎嘞嗫刂品桨?，可提供高達(dá)100A的輸出電流能力， 非常適合多核CPU、加速器、人工智能（AI）芯片和網(wǎng)絡(luò)處理器等應(yīng)用場(chǎng)合。到目前為止，工程師可以通過數(shù)字電源控制電路板上的每個(gè)開關(guān)電源，但卻無法實(shí)現(xiàn)對(duì)線性穩(wěn)壓器（也稱為低壓差穩(wěn)壓器或LDO）的數(shù)字控制。然而，隨著數(shù)字電源監(jiān)控IC的出現(xiàn)，工程師現(xiàn)在可以對(duì)系統(tǒng)中的每個(gè)電源進(jìn)行完全的數(shù)字控制。

本文探討了高性能計(jì)算領(lǐng)域的電源管理趨勢(shì)，并介紹了如何設(shè)計(jì)數(shù)字控制的LDO穩(wěn)壓器電路，以實(shí)現(xiàn)電壓和電流監(jiān)測(cè)，并通過PMBus指令進(jìn)行故障遙測(cè)。

服務(wù)器電源軌的要求

通常來說，云計(jì)算服務(wù)器需要多相電源控制，分別為內(nèi)存（VDIMM）和Vcore提供30A到100A的輸出電流能力。低于30A的電源軌則采用單相POL變換器來實(shí)現(xiàn)。其余的電源軌為低功率電源軌，通常使用LDO穩(wěn)壓器實(shí)現(xiàn)。圖1顯示了連續(xù)幾代服務(wù)器所需的電源軌數(shù)。如圖所示，未來的服務(wù)器將需要超過25個(gè)電源軌。

圖1.電源軌數(shù)量隨著系統(tǒng)的更新?lián)Q代而增加

高性能計(jì)算領(lǐng)域的另一趨勢(shì)是高性能和高效率之間的平衡。系統(tǒng)必須在必要時(shí)提供高性能，并在峰值電流模式運(yùn)行時(shí)提供最高效的解決方案。典型要求就是待機(jī)或低功耗模式。數(shù)字控制的LDO穩(wěn)壓器可增加余量調(diào)節(jié)能力，在啟用低功耗模式時(shí)降低輸出電壓，甚至可以將電壓設(shè)置為零。這種余量調(diào)節(jié)能力的另一個(gè)好處是可以將輸出電壓維持在額定輸出電壓的±10%。顯然，數(shù)字控制的LDO穩(wěn)壓器的另一個(gè)好處是可以通過PMBus讀取系統(tǒng)中的每個(gè)電源軌，對(duì)中斷或故障進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)。

設(shè)計(jì)數(shù)字控制的LDO穩(wěn)壓器

那么，如何實(shí)現(xiàn)數(shù)字控制的LDO穩(wěn)壓器的設(shè)計(jì)呢？接下來以ISL28023數(shù)字電源監(jiān)測(cè)器為例進(jìn)行說明。ISL28023數(shù)字電源監(jiān)測(cè)器是具有PMBus接口的雙向電流檢測(cè)放大器，將數(shù)字遙測(cè)功能融入模擬系統(tǒng)。工程師可靈活地監(jiān)測(cè)、保護(hù)和控制系統(tǒng)中的每個(gè)LDO。

以下詳細(xì)地介紹數(shù)字電源監(jiān)測(cè)器。如圖2所示，工程師可使用的多項(xiàng)功能包括：

VBUS/VINP/VINM–——用于監(jiān)測(cè)LDO電壓和電流的主要通道引腳；（注意：電流測(cè)量需要外部檢流電阻。）

DAC_OUT——內(nèi)置的8位DAC，用于調(diào)節(jié)LDO輸出電壓；

SMBALERT2——數(shù)字電源監(jiān)測(cè)器檢測(cè)到故障狀態(tài)時(shí)觸發(fā)警報(bào)的引腳。用于啟用/禁用LDO；

GND——接地引腳。為了確保電壓和電流測(cè)量的正常工作，數(shù)字電源監(jiān)測(cè)器和LDO的接地引腳必須連接在一起。

圖2.數(shù)字電源監(jiān)測(cè)器框圖

通過將VBUS引腳連接到LDO穩(wěn)壓器的輸出電壓正端，同時(shí)將GND引腳連接在一起，工程師可以使用數(shù)字電源監(jiān)測(cè)器實(shí)現(xiàn)簡(jiǎn)單的電壓測(cè)量。但是為了測(cè)量LDO的輸出電流，還需要一個(gè)外部檢流電阻。

圖3.數(shù)字電源監(jiān)測(cè)器測(cè)量ISL80101 LDO輸出電壓和輸出電流的典型電路

圖3給出了用數(shù)字電源監(jiān)測(cè)器測(cè)量LDO輸出電壓和輸出電流的典型電路。VBUS引腳測(cè)量LDO VOUT的電壓。差分引腳VP和VM測(cè)量Rshunt兩端的電壓。Rshunt的取值需要根據(jù)ISL28023中Vshunt的設(shè)置和LDO的輸出電流來決定：

公式1 Iout = Vshunt/Rshunt

ISL28023電流監(jiān)測(cè)器的Vshunt允許設(shè)置在40mV/80mV范圍內(nèi)。在實(shí)際電流測(cè)量時(shí)要保證最大限度地利用該范圍。例如，當(dāng)ISL80101LDO 輸出電流為1A，ISL28023的Vshunt使用80mV范圍時(shí)，Rshunt必須確保Vshunt測(cè)量值在1A時(shí)約為80mV即Rshunt等于80mOhm。

LDO的電壓余量可以通過數(shù)字電源監(jiān)測(cè)器的8位DAC輸出來實(shí)現(xiàn)。通過將DAC_OUT引腳連接到LDO的反饋網(wǎng)絡(luò)（ADJ引腳），可以上調(diào)/下調(diào)輸出電壓。

圖4.數(shù)字電源監(jiān)測(cè)器控制LDO輸出電壓余量的典型電路

事實(shí)上，F(xiàn)B或ADJ引腳電壓可以通過DAC的輸出電壓手動(dòng)更改。根據(jù)公式2，LDO穩(wěn)壓器的輸出電壓可以通過DAC的輸出電壓，R1和R2進(jìn)行設(shè)置。

公式2 Vout = 0.5 + （0.5 – DAC_OUT） * R2/R1

需要注意的是，在設(shè)置ISL28023的DAC_OUT值時(shí)，，DAC_OUT電壓不得超過0.5V，否則可能導(dǎo)致LDO的錯(cuò)誤動(dòng)作。

故障觸發(fā)的啟用/禁用

數(shù)字電源監(jiān)測(cè)器有兩個(gè)SMBALERT引腳，可在滿足故障條件時(shí)觸發(fā)高/低閾值，也可以強(qiáng)制啟用/禁用LDO。圖5給出了用SMBALERT2引腳啟用/禁用LDO的典型電路。

圖5.數(shù)字電源監(jiān)測(cè)器的SMBALERT2引腳啟用/禁用LDO的典型電路

圖3、4和5共同組成了通過ISL28023數(shù)字電源監(jiān)測(cè)器和三個(gè)外部電阻為簡(jiǎn)單的LDO添加遙測(cè)功能的完整電路，如圖6所示。

圖6.利用數(shù)字電源監(jiān)測(cè)器實(shí)現(xiàn)對(duì)ISL80101 LDO遙測(cè)的完整電路

總 結(jié)

過去，系統(tǒng)中只有高功率電源軌才能實(shí)現(xiàn)數(shù)字控制，低功率LDO則沒有數(shù)字接口。如今，ISL28023數(shù)字電源監(jiān)測(cè)器實(shí)現(xiàn)了低功率電源軌的遙測(cè)。從而使系統(tǒng)中的每個(gè)電源軌都可以通過PMBus指令進(jìn)行數(shù)字監(jiān)測(cè)、保護(hù)和控制。