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通信设备制造商需要高功率输出和小尺寸解决方案_图文

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通信设备制造商需要高功率输出 和小尺寸解决方案
Communications equipment makers demand high power outputs and small solution footprints
Tony Armstrong(ADI公司Power by Linear产品部门)
摘要:通信系统遇到诸多数字电源管理的挑战,需要相对简单的功率转换器,其具有高功率输出和小尺 寸。ADI公司的Power by Linear? ?Module?稳压器可供选择。 关键词:通信;电源管理;转换器;稳压器;模块

1 通信系统的数字电源管理挑战
许多通信系统通过48 V背板供电。此电压通常会 降至较低的中间母线电压,通常降至12 V、5 V甚至 更低,以便为系统内的电路板机架供电。但是,这些 电路板上的大部分子电路或IC都需要在3.x V到低至 0.5 V的电压范围内工作,且电流从几十毫安到几百安 培不等。因此,要从这些较高的母线电压降至子电路 或IC所需的较低电压,必须使用负载点(PoL) DC/DC 转换器。除了这本身的难度外,这些电轨还有严格的 时序、电压精度、裕量和监控要求也需要考虑!
由于通信设备中可能有数百个PoL电压轨,系统 架构师需要通过一种简单的方法来管理这些电轨的输 出电压、时序和最大允许电流。如今的许多深亚微米 IC数字处理器要求它们的I/O电压在其内核电压之前 升高。另一方面,许多DSP要求它们的内核电压在I/O 之前得到提升。此外,关断时序也是必不可少的。因 此,系统架构师需要通过一种轻松的方法来进行更改 以优化系统性能,并为每个DC/DC转换器存储特定的 配置,以便简化设计工作。
而且,大多数通信设备制造商在压力的驱使下提 高其系统的数据吞吐率和性能,以及添加更多的功能

和特性。同时,他们也面临着降低系统总功耗的压 力。例如,常见的挑战包括,为了降低总功耗,需要 重新安排工作流程并将作业转移到未充分利用的服务 器,从而使其他服务器能够关闭。要满足这些需求, 了解终端用户设备的功耗是非常必要的。因此,经过 恰当设计的数字电源管理系统(DPSM)可以向用户提供 功耗数据,帮助做出明智的能源管理决策。
DPSM的一个主要优势是降低了设计成本并缩短 了上市时间。要高效地开发复杂的多轨系统,可以使 用具有直观图形用户界面(GUI)的全面开发环境。此类 系统支持通过GUI进行更改,而不是焊接修复白线, 因此也简化了电路内测试(ICT)和电路板调试。另一个 优势是可以通过提供的实时遥测数据预测电源系统故 障并采取预防措施。也许最重要的是,具有数字管理 功能的DC/DC转换器允许设计人员开发符合目标性能 (计算速度、数据速率等)的绿色电源系统,且最大 限度地减少在负载点、电路板、机架甚至安装层面上 使用的能源,从而降低基础设施成本和产品使用寿命 周期的总拥有成本。毕竟,数据中心最大的运营成本 是用于为冷却系统供电的电力成本,目的是使数据中 心内部低于其预定的最佳运行温度。

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此外,系统架构师仍然需要使用一些相对简单的 功率转换器来满足电路板上的各种其他供电轨的要 求,但放置这些供电轨的电路板面积在不断缩小。其 部分原因是无法将这些转换器装在电路板底部,因为 机架安装配置中有多个电路板并排放置,迫使其最大 组件高度限制为2 mm。他们真正想要的是一个小尺 寸的完整电源,安装到印刷电路板(PCB)后不超过2 mm。幸运的是,这种解决方案确实存在,本文将进 行更详细的讨论。
2 转换器解决方案
ADI公司的Power by Linear? ?Module?稳压器 是完整的系统化封装(SiP)解决方案,可最大限度地缩 短设计时间,解决通信系统中常见的电路板空间和功 率密度问题。这些?Module产品是完整的电源管理解 决方案,在紧凑型表贴BGA或LGA封装内集成DC-DC 控制器、功率晶体管、输入和输出电容、补偿组件和 电感。利用Power by Linear ?Module产品进行设计 可以将完成设计过程所需的时间减少多达50%,具体 取决于设计的复杂程度。此?Module稳压器系列将元 件选型、优化和布局等设计负担从设计人员转移到器 件上,从而缩短整体设计时间,减少系统故障,最终 加快产品上市时间。
这些?Module解决方案将分立式电源、信号链和 隔离设计中常用的关键元件集成在紧凑的IC式外形尺 寸中。在Power by Linear严格的测试和高可靠性流 程的支持下,我们的?Module产品系列简化了电源 管理和功率转换的设计和布局。此产品系列涵盖了广 泛的应用,包括负载点稳压器、电池充电器、DPSM 产品(PMBus数字管理电源)、隔离式转换器和LED 发光二极管驱动器。作为高集成度解决方案且每个器 件都提供PCB Gerber文件,这些?Module功率调节 器可在满足时间和空间限制的同时提供高效率和高可 靠性。此外,我们许多较新的产品还可实现符合EN 55022 B类标准的低EMI解决方案。这让系统设计人 员能够确信终端系统将满足严格的噪声性能判据,从

而符合最终系统必须满足的许多抗噪行业标准。 再者,随着设计资源因为系统复杂性的提高和设
计周期的缩短而变得紧张,关注重点落在了系统关键 知识产权的开发上。这常常意味着电源被放到一边, 直到开发周期的后期才被顾及。由于时间很短,而且 专业电源设计资源可能有限,因此迫切需要开发出尺 寸尽可能小的高效率解决方案,同时要对PCB的反面 加以运用,使空间利用率最大化。
这是?Module稳压器可以提供理想解决方案的关 键领域。此概念内部复杂,但外部简单——既有开关 稳压器的效率,又有线性稳压器的易设计性。认真负 责的设计、PCB布局和元件选择对于开关稳压器设计 非常重要,很多经验丰富的设计人员在职业生涯的早 期闻到了电路板燃烧的独特香味。当时间短或电源设 计经验不足时,现成的?Module稳压器既可节省时间 和空间,又可降低项目风险。
超薄?Module解决方案的一个最新范例是 LTM4622。这是一个双2.5 A或两相单5 A输出降压型 功率调节器,采用6.25 mm × 6.25 mm × 1.8 mm超 薄LGA封装。其超薄高度接近1206外壳尺寸的焊接电 容高度,允许安装在电路板的顶部。超薄外形使它能 够满足苛刻的高度限制,例如PCIe和嵌入式计算系统 中的先进夹层卡所要求的高度限制,如图1所示。
此外,ADI还推出了LTM4622A。作为LTM4622
图1 LTM4622A可安装在PCB的底部

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的变体,此A版本具有1.5 V至12 V的较高输出电压,

个人可以实现对设计的精确闭环裕量测试,并将

代替0.6 V至5.5 V的非A版本。这样,如果终端系统 电源电压调整到非常精确的水平。

需要,系统设计人员可以在较高端具有更宽的输出电

这些器件设计为自主式器件。一旦将它们配置好

压范围。在任一情况下,输入电压范围均为3.6 V至 并应用输入功率,它们就会对电源进行定序,在负载

20 V。通过Power by Linear的?Module DC/DC稳压 点调节非常精确的电压,在实施用户可配置的故障管

器,也可轻松提供高功率

和DPSM功能。由于许多

?Module稳压器可以在高

负载电流下并联并提供精

确电流匹配(在各自1%的

标称范围内),它们可以

减少出现热点的可能性。

此外,只有一个?Module

稳压器需要包含DPSM功

能,因为即使其余并联

?Module器件没有内置

DPSM功能,它也可提供

完整数字接口。

借助DPSM器件,系

统设计人员可以执行许多

不同的任务,包括如下几

点。

通过数字通信总线配

置电压,定义复杂的开/

关时序布置,定义故障

条件(如过压和欠压限

值),设置重要的电源参

数(如开关频率、电流限

值等)。

在同一通信总线上,

可以回读重要的工作参

数,如输入电压和输出电

压、输入和输出电流、输

入和输出功率、内部和外

部温度,以及在某些产品 图2 将一个LTM4677 DPSM ?Module器件和三个LTM4650 ?Module稳压器相结合,

中测量所消耗的能源。

可在1 V下从额定12 V输入提供186 A

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理方案的同时持续监控电压和电流,并装备非易失性 故障记录器,在检测到故障时存储有关电源系统的信 息。
DPSM器件可以级联,以构建相干的大型电源系 统。这是通过以有线速度运行的芯片间协调总线来实 现的。
它们包括用于器件配置和故障记录功能的内部 NVM。
这些器件包含I2C/PMBus通信端口,并使用行业 标准PMBus命令集控制并管理电源系统。
这些PSM器件都受到通用LTpowerPlay? GUI的支 持。LTpowerPlay是工程级GUI,在开发时考虑了电 源系统的设计和调试,以及远程客户支持。
图2相应地显示了180 A加DPSM PoL解决方案的 一个LTM4677(36 A DPSM ?Module稳压器)和三 个LTM4650(50 A ?Module稳压器)并联的应用原 理图。
3 结论
若在当今通信设备中采用DPSM功能和超薄外形

功率转换器件,电源设计人员便可通过简单而强大的 方式将高功率输出传送到低至0.5 V的核心电压,且温 度范围内的最大直流输出误差为±0.5%,可满足最新 亚20 nm ASIC、GPU和FPGA等IC的需求。如果存在 外形尺寸约束,则可以利用超薄外形的μModule稳 压器(例如LTM4622A),其安装在电路板上后外形 尺寸小于2 mm,让原本闲置的底部电路板空间派上 用场。这不仅节省了宝贵的PCB面积,而且还因整体 运行效率的提高减少了所需的冷却量。
最后,在通信设备中使用?Module稳压器是很有 意义的,因为它能显著缩短调试时间并提高电路板面 积利用率。由此将能降低基础设施成本,以及系统生 命周期的总拥有成本。这对于设计和制造这种设备的 公司以及在数据中心安装并使用这种设备的公司来说 都是双赢的。
作者简介: Tony Armstrong,ADI公司Power by Linear产品部门的产品营销总监, 负责电源转换和管理产品从上市到停产的所有事务。加入ADI之前,Tony 在Linear Technology(现为ADI公司一部分)、Siliconix Inc.、Semtech Corp.、Fairchild Semiconductors和Intel担任过营销、销售和运营方面的不 同职位。他毕业于英格兰曼彻斯特大学,获得应用数学(荣誉)学士学位。

(上接第25页) 流多重的工作负荷。与此同时,它在不 改变硬件的情况下可以改变工作负荷。即:这款产品 和其他解决方案最大的区别是硬件加速器。因为其他 的解决方案,它的处理或者工作负荷还是要在CPU上 实现的。而本加速卡通过增加了100万个逻辑单元, 可以智能地分流,把很多原来需要在CPU上处理的工 作负荷转移到FPGA上。这样使得CPU能够获得更多 的带宽来实现其他的功能。
相比其他FPGA公司的加速卡的优势是什么?实 际上,最大的一个区别就是英特尔有比较完整的产品 线。从边缘一直到云都有。其他的友商只是针对数据

中心有加速卡。另外一个优势是英特尔是有比较完整 的硬件+平台+行业标准的软件的完整解决方案,这样 可以使用户的产品能快速推向市场。
那么,与数据中心的加速卡相比,N3000的设计 难点是什么?实际上,N3000最大的好处是可以使 得生态系统中的合作伙伴(注:包括服务器的制造商 等)无需了解FPGA到底是怎么回事,因为它本身是 一个可编程的产品,而且它提供的是一个平台——里 面既有软件,又有硬件,因此客户拿来 就可以用。

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