česky english Vítejte, dnes je sobota 20. červenec 2019

Získejte kontrolu nad svým napájecím zdrojem

DPS 3/2015 | Vývoj - články
Autor: Bruce Haug, Linear Technology

Už jste někdy měli pocit, že je nejvyšší čas převzít kontrolu nad svým napájecím zdrojem? Pokud ne, měli byste, protože jsme dnes všichni svědci rostoucího trendu možností konfigurace a monitorování napájení přes digitální komunikační sběrnici. Velice často se dnes setkáváme s pojmy, jako je „Digitální napájecí zdroj“ nebo „Digitální Power Management System“ (DPSM). Tato technika konstruktérům umožňuje zjednodušení a urychlení návrhu systému, jeho optimalizaci a získání dat během prototypové série i při nasazení do ostrého provozu v cílovém prostředí.

Znát aktuální situaci a provozní stav napájecího regulátoru je dnes možná poslední zbývající „slepou skvrnou“ v moderních elektronických systémech, protože obvykle stále ještě neobsahují odpovídající prostředky pro konfiguraci a přímé či vzdálené monitorování základních provozních parametrů. Nicméně jejich dostupnost může být důležitá pro spolehlivý provoz a monitorování například výstupního napětí regulátoru v závislosti na provozním čase nebo aktuální teplotě s možností zjednání nápravy dříve, než dojde k úplnému selhání potenciálně rizikových prvků. Implementace DPSM technologie do systému může pomoci monitorovat výkon napěťového regulátoru a zajistit nápravná opatření ještě dříve, než se systém dostane mimo specifikaci, nebo dokonce dojde k jeho selhání. DPSM umožňuje uživatelům jednat podle informací získaných ze systému s následujícími výhodami:

Rychlé uvedení na trh

  • Změna provozních parametrů bez re-designu DPS
  • Provedení rychlé systémové charakterizace, optimalizace a sběru dat

Provozní výhody

  • Přesné řízení napětí nezávisle na provozní době a teplotě
  • Důkladné ověření tolerancí FPGA
  • Zvýšení účinnosti systému při změně zátěže
  • Digitální přístup k diagnostickým údajům
  • Sledování a určení celé šíře provozní spotřeby energie
  • Chybový management / záznam chybových stavů

Datové výhody

  • Vývoj spotřeby energie, detekce výkyvů a změn v čase
  • Analýza a statistika pro minimalizaci provozních nákladů
  • Zhodnocení hospodaření s energií

Rozvíjející se DPSM kompatibilní produkty mají tendenci podporovat konfiguraci a monitorování přes jednoduchá 2pinová rozhraní, jako je PMBus – otevřený standard vycházející z I²C digitálního rozhraní. Díky tomu lze snadno konstruovat prostředky pro výrobu a technologii DPSM snadno integrovat spolu se stávajícími systémy a architekturami osazenými na desce řídicího kontroléru BMC (Board Mount Controllers) a funkcemi IPMI (Intelligent Platform Management Interface) rozhraní. Pro jednoduchost a snadné použití, zejména v počátečních fázích vývoje a testování hardwaru, je běžné, že k interakci s DPSM zařízením se využívá grafické uživatelské rozhraní (GUI) běžící na PC a přes datový převodník USB-PMBus propojené se systémem napájecího zdroje. GUI přitom může poskytnout dobrou kontrolu a monitorování klíčových provozních parametrů, jako je spotřeba energie, napětí, sekvencování zdrojů, ochrana, a dokonce může číst i záznam poruchových stavů.

Instrukce jazyka PMBus byly vyvinuty s ohledem na potřeby velkých MULTIRAIL systémů. Kromě dobře definovaného souboru standardních příkazů lze v zařízeních, která podporují standard PMBus, realizovat rovněž své vlastní proprietární příkazy s cílem vytvoření inovativních funkcí s přidanou hodnotou. Standardizace většiny instrukcí a formátu dat je velkou výhodou pro výrobce OEM systémových desek. Vlastní protokol je přitom implementován nad průmyslovým standardem sériového rozhraní SMBus a umožňuje programování, ovládání a monitorování konverze elektrické energie v reálném čase. Standardizace instrukčního jazyka a formátu dat umožňuje snadný vývoj firmwaru a jeho opakované použití formou OEM, což má rovněž pozitivní vliv na zkrácení času potřebného pro uvedení nového napájecího systému na trh. Pro více informací doporučuji navštívit webové stránky http://pmbus.org. S pomocí jednoho z nejoblíbenějších otevřených standardních protokolů pro řízení napájení a s jeho více než 75 instrukcemi mohou uživatelé plně převzít řízení svých výkonových systémů do vlastních rukou.

Když DPSM dává smysl

Digitální řízení analogového napájecího zdroje s jednoduchým připojením k PC je cenné zvláště ve fázi vývoje, kdy je zvýšený tlak na jeho optimalizaci a rychlé dokončení vývoje. Konstruktér přitom může snadno monitorovat i více než 30 napájecích systémů najednou a v reálném čase upravovat hodnoty napětí, sekvence náběhu/odpojení, provozní limity a číst základní parametry, jako je napětí, proud a teplota, stejně jako má přístup k podrobným záznamům poruchových stavů. Vysoká přesnost je v těchto systémech velmi důležitá pro udržení přesné kontroly nad jednotlivými výstupy při dosažení maximálního výkonu.

Například v datových centrech je klíčovým úkolem snížení celkové spotřeby energie. To lze provést například využitím jinak nevytížených serverů či možností vypnutí dalších serverů, které jinak tvoří zbytečný příkon. Pro splnění všech těchto požadavků je důležité znát spotřebu energie zařízení. Díky DPSM může mít i samotný uživatel k dispozici údaj o aktuální a průměrné spotřebě energie, což umožňuje inteligentní rozhodování o správě energie a výběr provozního stavu, který je v dané situaci nejvýhodnější.

Vezměme si například ochranu drahých ASIC a možnost vzniku přepěťových stavů. Vysokorychlostní analogové komparátory musí hlídat napěťové úrovně jednotlivých výstupů napájecího zdroje a zajistit okamžité ochranné opatření v případě překročení bezpečnostních provozních limitů. Hostitelská aplikace s DPSM je přes PMBus rozhraní upozorněna okamžitě, jakmile dojde ke vzniku poruchového stavu, a pomocí určených signálových pinů může dané zařízení z bezpečnostních důvodů vypnout. Dosažení této úrovně ochrany vyžaduje dokonalou přesnost a velmi rychlou dobu odezvy.

Technologie DPSM je podporována stále větším počtem aplikací, neboť jejím cílem je poskytnout přesné informace o výkonu a kondici systému i možnost autonomního řízení a monitoringu libovolného výstupu. Společnost Linear Technology může svým zákazníkům nabídnout široké portfolio digitálních napájecích systémů, včetně regulátoru LTM4676.

LTM4676: DPSM μModule Regulátor

LTM4676 je dvojitý 13A nebo 26A μModule ® (mikromodul) step-down DC/DC regulátor s digitálním rozhraním, které správcům systému umožňuje vzdálené řízení a monitoring stavu i spotřeby systému. Moduly se skládají z rychlých duálních analogových regulačních smyček, precizních kombinovaných (analogově- digitálních) obvodů, EEPROM, výkonových MOSFETů, tlumivek i řady dalších podpůrných prvků umístěných v kompaktním BGA (Ball Grid Array) pouzdře o rozměrech 16 × 16 × 5 mm. Kromě technologie point-of-load obvody LTM4676 nabízejí snadnou konfigurovatelnost a sledování provozních parametrů, výkonu a dalších důležitých parametrů pro správu napájení přes rozhraní PMBus.

Dvouvodičové sériové rozhraní LTM4676 umožňuje pohodlně konfigurovat jednotlivé výstupy i z pohledu sekvencování, tedy nastavení doby a rychlosti startu a vypnutí výstupního napětí. Rovněž jsou k dispozici hodnoty vstupních a výstupních proudů a napětí, výstupní výkon, teplota, doba provozu i hodnoty mezních parametrů. Pro podrobnější seznámení s možnostmi LTM4676 a dalších produktů Linear Technology s technologií DPSM doporučujeme stáhnout GUI LTpowerPlay™ a získat konvertor rozhraní USB - PMBus.

Obvody LTM4676 kombinují ve své třídě nejlepší analogový spínaný napájecí regulátor s precizním digitálním zpracováním signálů díky 16bitovým sigma- -delta ADC a konfigurační EEPROM. Díky tomu se mohou pochlubit také maximální teplotní odchylkou pouhé +/-1 % výstupního napětí či například +/-2,5 % při měření proudu. Rozsah vstupního napětí LTM4676 je od 4,5 až do 26,5 V s možností libovolné konfigurace dvou výstupních napětí v rozsahu od 0,5 až do 5,4 V. Dva výstupní kanály jsou přitom schopny dodat proud až do 26 A (tj. 13 + 13 A na každý výstup). Případně lze propojit až čtyři LTM4676 do jediného výstupu se zatížitelností až 100 A. Přitom však není nutné ani programovat interní EEPROM. Základní parametry, jako je start-up sekvence, výstupní napětí, spínací frekvence a fázový úhel kanálu lze jednoduše nastavit pomocí externích rezistorů. Obr. 1 ukazuje typickou aplikaci LTM4676 jako dvojitý 13A μModule regulátor s technologií DPSM pro účely řízení a monitorování.

obr. 1

V řadě aplikací je potřeba hned několik napájecích napětí, což s sebou nese potřebu řízení a monitoringu každého jednotlivého výstupu zvlášť. Celý tento proces je ovšem možné s technologií DPSM výrazně zjednodušit a zrychlit. Obr. 2 ukazuje, jak dvě výstupní napětí jednoho LTM4676 μModule regulátoru reagují na povel změny napětí o – 7,5 % PMBus. Nominální 1V výstup klesne na hodnotu 0,92 V a nominální 1,8V výstup klesne na hodnotu 1,66 V. Přes LTpower- Play lze přitom tuto funkci rozšířit až do 72 výstupů, což podporuje mnohem snazší proces řízení i následné verifikace nastaveného napětí.

obr. 2

Obvody LTM4676 navíc disponují schopností napájení každého ze dvou integrovaných DC/DC regulátorů z různého vstupního napětí. Obr. 3 ukazuje kolísání vstupního proudu na dvou vstupních napětích. Tato funkce umožňuje získat údaje o spotřebě energie jednotlivých zdrojů, které mohou být použity ke sledování trendů, rozpoznání výkyvů a změn v průběhu času, aby je bylo možné použít pro optimální hospodaření s energií.

obr. 3

Dnes není nic neobvyklého, když například základní desky PC obsahují i více než 30 napájecích zdrojů. Tyto typy desek jsou navíc obvykle hustě zaplněny součástkami a obvody DPSM zde nemohou zabírat příliš mnoho místa. Kromě toho musí být snadno použitelné a musí být schopny řídit vysoký počet výstupních napětí. Další podmínkou je autonomní provoz jednotlivých zdrojů a možnost komunikace s hostitelským systémem pro konfiguraci, řízení a přenos telemetrie.

Obvody Linear Technology LTM4676, LTC2977, LTC2974, LTC3880 a LTC3883 lze libovolně kombinovat pro řízení až 72 výstupních napětí v jediném segmentu na I²C sběrnici. LTM4676 a LTC3880 nabízejí a řídí až dva výstupy s velkým zatížením, naproti tomu obvody LTC3883 disponují jediným výstupem s velkým zatížením. Obvody LTC2977 řídí až osm výstupních napětí a LTC2974 mohou řídit čtyři výstupy.

Obr. 4 ukazuje příklad sestavy multi-rail systému s různými Linear Technology μModules regulátory, managementy a DC/DC regulátory. Tyto zdroje mají obvykle navíc přísné požadavky na sekvencování, přesnost výstupního napětí, nadproudové a přepěťové limity, jejich konfiguraci a monitoring.

obr. 4

Závěr

Technologie DPSM přináší systémovým návrhářům zajímavý nástroj pro řízení napájení s jednoduchým připojením na digitální rozhraní a PC. Tato funkce je nesmírně užitečná především při vývoji a ve fázi ladění systému, kdy konstruktérům umožňuje rychlejší dokončení práce s možností pohodlného řízení a konfigurace napájecích napětí, limitů a sekvencí. Rovněž testování či servis mohou probíhat mnohem rychleji, jelikož celý proces může být řízen několika jednoduchými povely přes I²C/PMBus rozhraní.

Koncovému uživateli může DPSM poskytnout například údaje o spotřebě energie, podpořené inteligentním managementem správy energie, což ve svém důsledku může pomoci snížit celkovou spotřebu. Data o napájecím systému mohou být navíc předána zpět do OEM jako údaj o kondici napájecích zdrojů, což může pomoci v dalším zdokonalení DC/DC měničů. Rovněž drift výstupního napětí regulátorů v průběhu času nebo v závislosti na teplotě může být detekován a upraven dříve, než dojde ke vzniku potenciálního selhání. Naopak, pokud se již nějaká deska napájecího zdroje vrátí do servisu, lze zpětně vyčíst chybové zprávy a snadno určit typ poruchy při zaznamenané teplotě a čase, ve kterém závada nastala. Tyto údaje mohou být použity k rychlému určení příčiny nebo ověření, zda systém nebyl provozován mimo své provozní limity. Získané údaje lze samozřejmě využít i pro zdokonalení návrhů budoucích produktů.

Partneři

eipc
epci
imaps
papouch
ep
mikrozone
mcu
projectik