緊湊設計中的創新電源管理方案| 安馳科技股份有限公司 Macnica Anstek Inc.

介紹

在當今的通訊設備、數據中心、工業自動化、醫療設備和人工智慧領域，確保高效、可靠和高性能的電源對於系統性能和可靠性至關重要。在通訊設備領域，尤其是基礎設施和網路設備中，高效的電源對於持續通訊和數據處理至關重要。

光模組等常見應用需要具有高效能量轉換、動態調整功能以及能夠在空間受限環境中運行的能力的電源管理元件，以確保系統可靠性和通訊品質。同樣，為了滿足 5G、社交網路、媒體和雲計算不斷增長的工作負載，數據中心必須以最小的外形尺寸實現高密度伺服器和存儲設備的高能效和低熱/功率耗散。

人工智慧技術的快速發展也推動了對高性能電源管理解決方案的需求。隨著對雲計算、AI 應用以及高功率處理器和加速器的需求不斷增長，最大限度地減少電路板空間、滿足嚴格的動態要求以及加快從概念到最終產品的開發週期已成為重大挑戰。

為了滿足這些需求，Analog Devices 數位電源系統管理（DPSM）系列的成員 LT7170 應運而生。這款單片 DC/DC 同步降壓穩壓器集成了 DPSM 技術，通過 PMBus/SMBus/I2 C 數位介面提供動態配置和監控。DPSM 功能包括電壓、電流、功率和溫度的數字監控;配置參數的即時調整;多個負載點電源的微調、裕度調節、排序和監控;以及電力系統的遠端監控和指揮。

LT7170 將 Silent Switcher® 技術與先進的 PMBus 控制和遙測技術無縫結合，使其成為 Analog Devices 的“Smart Silent Switcher®”產品。Silent Switcher® 架構可確保在高開關頻率下實現出色的效率，同時發射超低電磁干擾（EMI），從而實現緊湊、安靜的降壓解決方案。通過將 Silent Switcher® 技術與先進的 PMBus 控制集成在一起，LT7170 顯著減小了解決方案尺寸和外部元件數量，同時提高了效率、輸出電壓準確度、EMI 和負載瞬態回應性能。LT7170 是一款 16V、20A 單片式降壓穩壓器，是大電流、空間受限和雜訊敏感型應用的理想選擇，可提供 DPSM 功能豐富的多功能性。

數位電源系統管理（DPSM）特性

人工智慧、機器學習、內容流、遠端協作和學習以及基於雲端的服務等應用程式正在推動資料中心伺服器、電信系統和網路設備的快速增長。降低這些領域能耗的關鍵在於提高功率轉換效率。需要的解決方案能夠提高效率並滿足處理器、專用積體電路（ASIC）和現場可程式設計門陣列（FPGA）的複雜電源要求，提供更高的功率密度以適應更小的封裝，而不會影響速度或可靠性，同時提供行業領先的設計效率。為了應對有源電源管理和空間限制的挑戰，基於 PMBus 功能的解決方案非常有效，它提供了一個以最少元件數量監控和控制電源管理設備的平台。

圖 1 說明了資料中心伺服器中使用的典型電源系統架構。它從將交流電轉換為 48V 直流電的 AC-DC 轉換器開始。48V 電源通過 48V 熱插拔模組，然後是 48V 至 12V DC-DC 轉換器，將電壓降至 12V。該 12V 電壓隨後分配給板上的各種負載點（PoL）轉換器，然後為 IC 或子電路供電，例如 ASIC、FPGA、CORE、DDR、I/O 和系統偏置。這些IC或子電路中的大多數工作電壓範圍為幾百毫伏至3.3V。這些電源軌需要精確的排序、監控、電壓精度和監控。在具有數十個電壓軌的複雜系統中，正確的上電和斷電時序對於每個 PoL 電壓軌都至關重要。PMBus 技術提供靈活而強大的數位電源管理協定，支援對電源進行遠端控制和監控，從而有效地滿足這些要求。

圖 1.數據中心伺服器中的典型配電結構。

LT7170 是 Analog Devices DPSM 系列的成員。因此，它可以通過 PMBus/SMBus/I2 C 數位介面進行配置和監控，也可以存儲在片上三倍可程式設計非易失性記憶體（NVM）中。如圖 2 所示，LT7170 包括多種電源系統管理（PSM）功能，包括可程式設計參數、準確的遙測回讀和快速可程式設計故障回應，這使其具有多功能性和靈活性。它具有寬輸入和輸出範圍，並且可通過 PMBus 進行高度定製。LT7170 的以下參數可通過 I2 C/PMBus 介面進行配置和存儲：

圖 2.LT7170 通過PMBus/I²C介面進行配置和監控。

輸出電壓、過壓、欠壓和電流限制
數位啟動/停止、排序和裕度調節
開/關延遲時間以及輸出上升/下降時間
OV/UV 閾值
控制回路補償
開關頻率
輸出電壓轉換率
用於 EMI 和效率優化的開關轉換速率
故障回應

此外，PMBus 功能還可以監控電源運行情況，包括：

輸入和輸出電壓
輸出電流
內部晶片溫度
開關頻率
部件、系統和故障狀態

圖 3 顯示了 LTpowerPlay 的螢幕，LTpowerPlay 是一款基於 Windows 的強大軟體開發工具，具有為完全支援 LT7170 而定製的圖形使用者介面（GUI）。LTpowerPlay 為開發、診斷和調試提供了無與倫比的功能。通過 GUI 可以輕鬆存取遙測、系統故障狀態和 PMBus 命令值。例如，在圖 3 的紅色虛線框內，LT7170 的控制環路補償、VOUT、OV/UV 設置和 VOUT 轉換速率可以通過 PMBus 進行程式設計。同樣，在黃色虛線框中，遙測回讀參數（包括 VIN 、 VOUT 、 IOUT 和晶片溫度）可用。LTpowerPlay 通過促進元件選擇、系統優化和故障排除，使工程師能夠快速進行調整、調試問題並找到解決方案，從而顯著增強設計過程，最終縮短設計時間並加快開發週期。

圖 3.LTpowerPlay 主介面。

圖 4 顯示了一個遙測圖示例，其中描述了 VOUT 從 0.8V 上升到 1.2V，使用 LTpowerPlay 將 VOUT 轉換速率設置為 0.1V/ms。遙測圖清楚地顯示 VOUT 從 0.8V 線性增加到 1.2V，這也被示波器波形驗證，它證實了 VOUT 以 0.1V/ms 的轉換速率從 0.8V 跳到 1.2V。

圖 4a. 遙測圖。

圖 4b.V 的OUT示波器波形從 0.8V 跳到 1.2V，VOUT 轉換速率為 0.1V/ms。

大電流、高效率適合狹小空間

集成 MOSFET、內置反饋電阻器和補償電路都簡化了系統設計，並通過電路簡單性和 Silent Switcher® 架構最大限度地減小了總解決方案尺寸。

得益於高性能電源轉換，LT7170 無需額外的散熱器或氣流即可提供高電流。只需少量外部元件即可使用 LT7170 創建多種大電流、扁平轉換器解決方案。LT7170-1 選件具有兩個連接到兩個電感器的開關相位，以驅動單個穩壓輸出電源。圖 5 顯示了使用一個 160nH 電感的 1V/20A LT7170 解決方案和一個使用兩個小 400nH 電感器的 1V/20A LT7170-1 解決方案，這些電感器以 1MHz 的頻率開關，所有陶瓷電容器均採用非常扁平的解決方案，使該器件特別適合電路板空間或元件高度受限的應用。

圖 5a. LT7170 1V/20A 1MHz 解決方案尺寸。

圖 5b. LT7170-1 1V/20A 1MHz 解決方案尺寸。

Silent Switcher® 架構可產生快速、乾淨的開關邊沿，從而減少開關損耗。最小的開關損耗以及僅 25ns 的最小導通時間可在高開關頻率和小尺寸解決方案下實現高效率。LT7170 的輸入範圍為1.5V至26V（帶EXTVCC）。圖 6 顯示了 LT7170-1 的典型應用，即 12V 輸入至 1V/20A，採用 1MHz 開關頻率電源解決方案，該解決方案使用兩個小型 400nH 電感和陶瓷電容器，採用超薄型解決方案，適用於 FPGA 或微處理器應用。該電路的效率可以高達91%，如圖8所示。圖 7 顯示了該電路在 15A 下運行的熱性能，沒有散熱器或氣流。IC 外殼溫升為 44.2ºC，其中環境溫度為 25ºC。

圖 6.基於 LT7170-1 的 12V 至 1V 同步降壓轉換器，具有 PMBus/I2 C 控制和監控介面。

圖 7.LT7170-1 熱圖像，12V 輸入至 1V 輸出，15A，fSW = 1MHz，無氣流，TA = 25ºC。

圖 8.1MHz 時 12VIN 至 0.8VOUT、1VOUT、1.8VOUT 的效率。

圖 8 顯示了在 1MHz 的開關頻率下，12V 輸入電壓對各種輸出電壓（如 0.8V、1V 和 1.8V）的效率，用於為 ASIC、FPGA 和 I/O 供電，如圖 1 所示。

具有出色 EMI 性能的 Silent Switcher®

Silent Switcher® 架構通過集成內置熱迴路電容器來有效抵消 EMI，從而減小了破壞性天線的尺寸。這與集成 MOSFET 配合使用，即使在快速開關轉換期間，也能大大減少開關節點振鈴和熱迴路中存儲的相關能量。這導致了出色的EMI性能，同時最大限度地減少了AC開關損耗。LT7170 中整合了 Silent Switcher® 技術，以最大限度地降低 EMI 並交付，這大大簡化了 EMI 濾波器的設計和佈局，使其成為雜訊敏感環境的理想選擇。

圖 10 顯示了 1MHz LT7170-1 應用電路CISPR32 B 類輻射 EMI 性能，該電路將 12V 輸入轉換為 1V/20A 輸出，僅在輸入端施加一個鐵氧體磁珠，如圖 9 所示。LT7170-1 毫不費力地符合 CISPR32 B 類輻射 EMI 規範，即使沒有 EMI 濾波器，也能顯著留裕量。對於雜訊敏感環境中的應用，如數據中心、固態硬碟（SSD）、工業系統和通訊設備，通過在鐵氧體磁珠的兩側增加兩個 10μF 陶瓷電容器（如圖中的虛線所示），可以實現額外的 EMI 抑制，從而顯著降低 500MHz 至 800MHz 範圍內的 EMI 雜訊。

圖 9.超低 EMI 輻射，LT7170-1 12V 輸入至 1V/20A 輸出，fSW = 1MHz。

圖 10a. CISPR 32 B 類電路的輻射 EMI 性能如圖 9 所示，只有一個鐵氧體磁珠。

圖 10b.圖 9 中電路的 CISPR 32 B 類輻射 EMI 性能，輸入端有一個鐵氧體磁珠和兩個陶瓷電容。

高性能負載瞬態回應

LT7170 提供可程式設計環路補償，以確保環路穩定性並優化控制器的瞬態回應，而無需更改任何外部元件。使用 LTpowerPlay，只需點擊幾下滑鼠，LT7170 即可實現最佳補償。控制回路可以快速、輕鬆地進行微調，無論最後一刻的元件替換或變化如何。這使設計人員能夠通過消除不必要的輸出電容器來從系統中獲得最大性能，同時節省電路板空間和成本。圖 3 顯示了誤差放大器 gm、電流限值、補償電阻 RITH 和電容器 CITH 可以在 LTpowerPlay 中進行程式設計。

為了支援高降壓比和快速負載瞬態回應，LT7170 採用了受控的導通時間谷值電流模式控制，典型最小導通時間為 25ns。圖 11 顯示了 LT7170-1 在 12V 輸入至 1V 輸出下的典型波形，在 1MHz 時具有 10A 負載階躍瞬態，因此與標稱值的偏差僅為 ±1.7%。

圖 11.LT7170-1 10A 負載階躍的負載瞬態性能。

結論

總之，採用 DPSM 技術的 LT7170 作為創新的電源管理解決方案脫穎而出，可滿足通訊、數據中心、存儲和工業系統等廣泛應用的需求。它將 Silent Switcher® 技術與 PMBus 控制和遙測技術整合在一起，確保在緊湊的設計中實現高效、可靠和高性能的電力傳輸。此外，LT7170 提供出色的 EMI 抑制性能，使其成為雜訊敏感型環境的理想選擇，並具有快速負載瞬態回應，可確保動態條件下的可靠性。利用 LTpowerPlay 可以促進元件選擇、系統優化和故障排除，從而顯著增強設計過程。這個強大的工具使工程師能夠快速進行調整、調試問題並找到解決方案，最終縮短設計時間並加快開發週期。總之，LT7170 為現代電源管理挑戰提供了全面且高效的解決方案。