【導讀】許多通信系統(tǒng)通過48 V背板供電。此電壓通常會降至較低的中間母線電壓，通常降至12 V、5 V甚至更低，以便為系統(tǒng)內的電路板機架供電。但是，這些電路板上的大部分子電路或IC都需要在3.x V到低至0.5 V的電壓范圍內工作，且電流從幾十毫安到幾百安培不等。因此，要從這些較高的母線電壓降至子電路或IC所需的較低電壓，必須使用負載點(PoL) DC/DC轉換器。除了這本身的難度外，這些電軌還有嚴格的時序、電壓精度、裕量和監(jiān)控要求也需要考慮！
由于通信設備中可能有數(shù)百個PoL電壓軌，系統(tǒng)架構師需要通過一種簡單的方法來管理這些電軌的輸出電壓、時序和最大允許電流。如今的許多深亞微米IC數(shù)字處理器要求它們的I/O電壓在其內核電壓之前升高。另一方面，許多DSP要求它們的內核電壓在I/O之前得到提升。此外，關斷時序也是必不可少的。因此，系統(tǒng)架構師需要通過一種輕松的方法來進行更改以優(yōu)化系統(tǒng)性能，并為每個DC/DC轉換器存儲特定的配置，以便簡化設計工作。
而且，大多數(shù)通信設備制造商都在壓力的驅使下提高其系統(tǒng)的數(shù)據(jù)吞吐率和性能，以及添加更多的功能和特性。同時，他們也面臨著降低系統(tǒng)總功耗的壓力。例如，常見的挑戰(zhàn)包括，為了降低總功耗，需要重新安排工作流程并將作業(yè)轉移到未充分利用的服務器，從而使其他服務器能夠關閉。要滿足這些需求，了解終端用戶設備的功耗是非常必要的。因此，經(jīng)過恰當設計的數(shù)字電源管理系統(tǒng)(DPSM)可以向用戶提供功耗數(shù)據(jù)，幫助做出明智的能源管理決策。
DPSM的一個主要優(yōu)勢是降低了設計成本并縮短了上市時間。要高效地開發(fā)復雜的多軌系統(tǒng)，可以使用具有直觀圖形用戶界面(GUI)的全面開發(fā)環(huán)境。此類系統(tǒng)支持通過GUI進行更改，而不是焊接修復白線，因此也簡化了電路內測試(ICT)和電路板調試。另一個優(yōu)勢是可以通過提供的實時遙測數(shù)據(jù)預測電源系統(tǒng)故障并采取預防措施。也許最重要的是，具有數(shù)字管理功能的DC/DC轉換器允許設計人員開發(fā)符合目標性能（計算速度、數(shù)據(jù)速率等）的綠色電源系統(tǒng)，且最大限度地減少在負載點、電路板、機架甚至安裝層面上使用的能源，從而降低基礎設施成本和產(chǎn)品使用壽命周期的總擁有成本。畢竟，數(shù)據(jù)中心最大的運營成本是用于為冷卻系統(tǒng)供電的電力成本，目的是使數(shù)據(jù)中心內部低于其預定的最佳運行溫度。
此外，系統(tǒng)架構師仍然需要使用一些相對簡單的功率轉換器來滿足電路板上的各種其他供電軌的要求，但放置這些供電軌的電路板面積在不斷縮小。其部分原因是無法將這些轉換器裝在電路板底部，因為機架安裝配置中有多個電路板并排放置，迫使其最大組件高度限制為2 mm。他們真正想要的是一個小尺寸的完整電源，安裝到印刷電路板(PCB)后不超過2 mm。幸運的是，這種解決方案確實存在，本文將進行更詳細的討論。
轉換器解決方案
ADI公司的Power by Linear™ µModule®穩(wěn)壓器是完整的系統(tǒng)化封裝(SiP)解決方案，可最大限度地縮短設計時間，解決通信系統(tǒng)中常見的電路板空間和功率密度問題。這些µModule產(chǎn)品是完整的電源管理解決方案，在緊湊型表貼BGA或LGA封裝內集成DC-DC控制器、功率晶體管、輸入和輸出電容、補償組件和電感。利用Power by Linear µModule產(chǎn)品進行設計可以將完成設計過程所需的時間減少多達50%，具體取決于設計的復雜程度。此µModule穩(wěn)壓器系列將元件選型、優(yōu)化和布局等設計負擔從設計人員轉移到器件上，從而縮短整體設計時間，減少系統(tǒng)故障，最終加快產(chǎn)品上市時間。
這些µModule解決方案將分立式電源、信號鏈和隔離設計中常用的關鍵元件集成在緊湊的IC式外形尺寸中。在Power by Linear嚴格的測試和高可靠性流程的支持下，我們的µModule產(chǎn)品系列簡化了電源管理和功率轉換的設計和布局。此產(chǎn)品系列涵蓋了廣泛的應用，包括負載點穩(wěn)壓器、電池充電器、DPSM產(chǎn)品（PMBus數(shù)字管理電源）、隔離式轉換器和LED發(fā)光二極管驅動器。作為高集成度解決方案且每個器件都提供PCB Gerber文件，這些µModule功率調節(jié)器可在滿足時間和空間限制的同時提供高效率和高可靠性。此外，我們許多較新的產(chǎn)品還可實現(xiàn)符合EN 55022 B類標準的低EMI解決方案。這讓系統(tǒng)設計人員能夠確信終端系統(tǒng)將滿足嚴格的噪聲性能判據(jù)，從而符合最終系統(tǒng)必須滿足的許多抗噪行業(yè)標準。
再者，隨著設計資源因為系統(tǒng)復雜性的提高和設計周期的縮短而變得緊張，關注重點落在了系統(tǒng)關鍵知識產(chǎn)權的開發(fā)上。這常常意味著電源被放到一邊，直到開發(fā)周期的后期才被顧及。由于時間很短，而且專業(yè)電源設計資源可能有限，因此迫切需要開發(fā)出尺寸盡可能小的高效率解決方案，同時要對PCB的反面加以運用，使空間利用率最大化。
這是µModule穩(wěn)壓器可以提供理想解決方案的關鍵領域。此概念內部復雜，但外部簡單——既有開關穩(wěn)壓器的效率，又有線性穩(wěn)壓器的易設計性。認真負責的設計、PCB布局和元件選擇對于開關穩(wěn)壓器設計非常重要，很多經(jīng)驗豐富的設計人員在職業(yè)生涯的早期聞到了電路板燃燒的獨特香味。當時間短或電源設計經(jīng)驗不足時，現(xiàn)成的µModule穩(wěn)壓器既可節(jié)省時間和空間，又可降低項目風險。
超薄µModule解決方案的一個最新范例是LTM4622。這是一個雙2.5 A或兩相單5 A輸出降壓型功率調節(jié)器，采用6.25 mm × 6.25 mm × 1.8 mm超薄LGA封裝。其超薄高度接近1206外殼尺寸的焊接電容高度，允許安裝在電路板的頂部。超薄外形使它能夠滿足苛刻的高度限制，例如PCIe和嵌入式計算系統(tǒng)中的先進夾層卡所要求的高度限制，如圖1所示。
圖1.LTM4622A可安裝在PCB的底部。
此外，我們最近還推出了LTM4622A。作為LTM4622的變體，此A版本具有1.5 V至12 V的較高輸出電壓，代替0.6 V至5.5 V的非A版本。這樣，如果終端系統(tǒng)需要，系統(tǒng)設計人員可以在較高端具有更寬的輸出電壓范圍。在任一情況下，輸入電壓范圍均為3.6 V至20 V。通過Power by Linear的µModule DC/DC穩(wěn)壓器，也可輕松提供高功率和DPSM功能。由于許多µModule穩(wěn)壓器可以在高負載電流下并聯(lián)并提供精確電流匹配（在各自1%的標稱范圍內），它們可以減少出現(xiàn)熱點的可能性。此外，只有一個µModule穩(wěn)壓器需要包含DPSM功能，因為即使其余并聯(lián)µModule器件沒有內置DPSM功能，它也可提供完整數(shù)字接口。
圖2.將一個LTM4677 DPSM µModule器件和三個LTM4650 µModule穩(wěn)壓器相結合可在1 V下從額定
12 V輸入提供186 A。
借助DPSM器件，系統(tǒng)設計人員可以執(zhí)行許多不同的任務，包括：
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● 通過數(shù)字通信總線配置電壓，定義復雜的開/關時序布置，定義故障條件（如過壓和欠壓限值），設置重要的電源參數(shù)（如開關頻率、電流限值等）。
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● 在同一通信總線上，可以回讀重要的工作參數(shù)，如輸入電壓和輸出電壓、輸入和輸出電流、輸入和輸出功率、內部和外部溫度，以及在某些產(chǎn)品中測量所消耗的能源。
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● 個人可以實現(xiàn)對設計的精確閉環(huán)裕量測試，并將電源電壓調整到非常精確的水平。
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● 這些器件設計為自主式器件。一旦將它們配置好并應用輸入功率，它們就會對電源進行定序，在負載點調節(jié)非常精確的電壓，在實施用戶可配置的故障管理方案的同時持續(xù)監(jiān)控電壓和電流，并裝備非易失性故障記錄器，在檢測到故障時存儲有關電源系統(tǒng)的信息。
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● DPSM器件可以級聯(lián)，以構建相干的大型電源系統(tǒng)。這是通過以有線速度運行的芯片間協(xié)調總線來實現(xiàn)的。
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● 它們包括用于器件配置和故障記錄功能的內部NVM。
● 這些器件包含I2C/PMBus通信端口，并使用行業(yè)標準PMBus命令集控制并管理電源系統(tǒng)。
● 這些PSM器件都受到通用LTpowerPlay® GUI的支持。LTpowerPlay是工程級GUI，在開發(fā)時考慮了電源系統(tǒng)的設計和調試，以及遠程客戶支持。
圖2相應地顯示了180 A加DPSM PoL解決方案的一個LTM4677（36 A DPSM µModule穩(wěn)壓器）和三個LTM4650（50 A µModule穩(wěn)壓器）并聯(lián)的應用原理圖。
結論
若在當今通信設備中采用DPSM功能和超薄外形功率轉換器件，電源設計人員便可通過簡單而強大的方式將高功率輸出傳送到低至0.5 V的核心電壓，且溫度范圍內的最大直流輸出誤差為±0.5%，可滿足最新亞20 nm ASIC、GPU和FPGA等IC的需求。如果存在外形尺寸約束，則可以利用超薄外形的μModule穩(wěn)壓器（例如LTM4622A），其安裝在電路板上后外形尺寸小于2 mm，讓原本閑置的底部電路板空間派上用場。這不僅節(jié)省了寶貴的PCB面積，而且還因整體運行效率的提高減少了所需的冷卻量。
最后，在通信設備中使用µModule穩(wěn)壓器是很有意義的，因為它能顯著縮短調試時間并提高電路板面積利用率。由此將能降低基礎設施成本，以及系統(tǒng)生命周期的總擁有成本。這對于設計和制造這種設備的公司以及在數(shù)據(jù)中心安裝并使用這種設備的公司來說都是雙贏的。
作者簡介
Tony Armstrong是ADI公司Power by Linear產(chǎn)品部門的產(chǎn)品營銷總監(jiān)。他負責電源轉換和管理產(chǎn)品從上市到停產(chǎn)的所有事務。加入ADI之前，Tony在Linear Technology（現(xiàn)為ADI公司一部分）、Siliconix Inc.、Semtech Corp.、Fairchild Semiconductors和Intel擔任過營銷、銷售和運營方面的不同職位。他畢業(yè)于英格蘭曼徹斯特大學，獲得應用數(shù)學（榮譽）學士學位。聯(lián)系方式：anthony.armstrong@analog.com。
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