Digital power per architetti di sistema

POTENZA DIGITALE –

Il digital power rappresenta uno strumento molto potente per i sistemi complessi con numerosi rail e per gli Oem che vogliono tenere traccia dello stato dei loro sistemi di potenza.

Gli utenti esperti di digital power sono in genere a conoscenza dei vantaggi offerti dalla gestione Dpsm (Digital Power System Management). Tuttavia, per coloro che sono ancora in fase di valutazione, i vantaggi non sono così ovvi. Alcune delle domande più frequenti sono: I nostri clienti apprezzeranno il digital power? Questa tecnologia permetterà di entrare in nuovi mercati? La mancata integrazione del digital power nel portafoglio di prodotti significa rimanere indietro? L'implementazione è complessa? Quanto è lunga la curva di apprendimento? Il time-to-market richiederà più tempo se si integra il digital power? Ci sono costi aggiuntivi?  Solo da un'attenta analisi delle risposte a queste domande è possibile capire se il digital power è la soluzione adatta per una determinata applicazione finale.

Quando conviene il digital power
Il controllo digitale sugli alimentatori analogici con una semplice connessione al Pc è particolarmente vantaggioso durante lo sviluppo, fase in cui i progettisti devono rendere operativi i sistemi in pochissimo tempo. Oltre al fatto che potrebbero anche essere presenti più di 20 rail di tensione Pol, è necessario che gli utenti vengano messi in condizione di regolare con facilità le tensioni di alimentazione, eseguire la sequenza di accensione e spegnimento, impostare i limiti di tensione operativa e leggere parametri quali la tensione, la corrente o la temperatura, nonché accedere a un log dettagliato dei guasti tramite un'interfaccia digitale. In questi sistemi l'elevata precisione è fondamentale per garantire il controllo dei rail e raggiungere prestazioni ottimali. Forse l'unica "incognita" dei moderni sistemi elettronici consiste nell'impossibilità di conoscere le condizioni e lo stato operativo dei regolatori di tensione, che in genere non dispongono di mezzi per la configurazione diretta o il monitoraggio in remoto dei principali parametri operativi. Ai fini di un funzionamento affidabile può essere importante rilevare la deriva della tensione in uscita del regolatore rispetto al tempo o una condizione di sovratemperatura in modo da intervenire prima che si verifichi un potenziale guasto. Un sistema digital power ben progettato è in grado di monitorare le prestazioni di un regolatore di tensione e fornire informazioni sul suo stato, consentendo così di intraprendere azioni correttive prima di un guasto o quando non vengono rispettate le specifiche operative. Nei data center il problema consiste nel ridurre il consumo generale di energia tramite la riprogrammazione del flusso di lavoro e il trasferimento dei processi a server sottoutilizzati in modo da poter spegnere gli altri server. Per soddisfare questi requisiti è essenziale conoscere la quantità di energia consumata dalle apparecchiature utilizzate dall'utente finale. Un sistema Dpms progettato correttamente fornisce all'utente i dati relativi al consumo energetico, agevolando i processi decisionali in materia di gestione dell'energia. Per preservare i costosi circuiti integrati Asic dalla sovratensione, i livelli di tensione di ciascun rail devono essere monitorati tramite dei comparatori ad alta velocità. Se un rail supera i limiti operativi specificati occorre intraprendere immediatamente azioni correttive. Nei sistemi digital power, quando si verifica un guasto è possibile inviare una notifica all'host tramite la linea PMBus, nonché disattivare i rail per proteggere i dispositivi alimentati a corrente, come ad esempio gli Asic. Per raggiungere questo livello di protezione servono massima precisione e tempi di risposta nell'ordine di decine di microsecondi. Il Digital Power Management trova sempre più applicazione per via della sua capacità di fornire informazioni precise sul sistema di potenza e di controllare/supervisionare autonomamente decine di tensioni con facilità. Chi progetta schede non dovrà più scrivere nemmeno una riga di codice, a meno che non si voglia leggere la telemetria ed eseguire semplici interventi per riparare i guasti tramite il processore host. È chiaro che i produttori dovranno fornire componenti a basso costo su misura destinati a specifiche nicchie di mercato implementabili con facilità da utenti sia principianti che esperti. Linear Technology offre numerose soluzioni digital power, tra cui il dispositivo LTC3880/-1.

Alte prestazioni
e facilità progettuale

L'LTC3880 e l'LTC3880-1 sono due controller Dc/Dc step-down sincroni a due uscite ed elevato rendimento con interfaccia PMBus basata su I2C per il Digital Power System Management. Questi dispositivi combinano le migliori prestazioni di commutazione analogica del settore con la conversione precisa dei dati a segnale misto per offrire una straordinaria facilità di progettazione e gestione dei sistemi di alimentazione, il tutto con il supporto del software LTpowerPlay con un'interfaccia utente grafica facile da utilizzare. L'LTC3880/-1 consente la programmazione e la lettura digitali per il controllo e il monitoraggio in tempo reale delle funzioni cruciali del convertitore Pol (Point-of-Load). I parametri di controllo programmabili includono la tensione di uscita, la marginatura, i limiti di corrente e di controllo in entrata/uscita, il sequencing all'accensione e il tracking, la frequenza di commutazione, nonché dati di identificazione e tracciabilità. I convertitori di dati di precisione on-chip e l'Eeprom consentono l'acquisizione e la memorizzazione non volatile delle impostazioni di configurazione del regolatore e delle variabili di telemetria quali tensioni e correnti in ingresso e uscita, duty cycle, registrazione di temperatura ed errori. L'LTC3880/-1 dispone di un loop di controllo analogico per una maggiore stabilità del loop e una rapida risposta al transiente, senza gli effetti della quantizzazione tipici dei loop di controllo digitali più lenti. Il dispositivo può fornire due uscite indipendenti oppure essere configurato per una singola uscita a due fasi. È possibile interlacciare e collegare in parallelo fino a 6 fasi per la condivisione precisa tra più circuiti integrati, riducendo al minimo i requisiti di filtro di ingresso e uscita per le applicazioni ad alta corrente e/o a più uscite. Un amplificatore integrato fornisce il rilevamento della tensione di uscita differenziale in remoto per una regolazione ad alta precisione, indipendente dalle cadute di tensione IR della scheda. La memoria integrata supporta impostazioni utente specifiche. Inoltre, questo controller si accende autonomamente senza sovraccaricare il processore host. Le impostazioni predefinite possono essere facoltativamente configurate mediante separatori esterni per la tensione di uscita, la frequenza di commutazione, l'indirizzo di fase e il dispositivo. L'LTC3880/-1 è provvisto di gate driver Mosfet integrati per gestire tutti i Mosfet di potenza a canale N da tensioni in ingresso di 4,5 V-24 V e generano tensioni in uscita con precisione di ± 0,50% da 0,5 V a 5,5 V con correnti di uscita fino a 30 A per singola fase nell'intero range di temperature operative. L'LTC3880/-1 consente inoltre di gestire blocchi di potenza o dispositivi DR Mos. L'on-time minimo di soli 90 ns rende questo dispositivo ideale per le applicazioni compatte ad alta frequenza e con un elevato rapporto step-down. La temporizzazione precisa su più chip e il sequencing basato sugli eventi consente l'ottimizzazione dell'accensione e dello spegnimento di complessi sistemi rail multipli. L'LTC3880 è provvisto di un Ldo integrato. L'LTC3880-1 supporta la tensione di polarizzazione esterna per la massima efficienza. Entrambi i dispositivi sono disponibili in un package Qfn-40 da 6 x 6 mm testato per il funzionamento a temperature operative di giunzione comprese tra -40°C e 105°C.

Digital System Management per applicazioni reali
In genere una scheda di potenza multirail di grandi dimensioni comprende un convertitore bus intermedio isolato, che converte una tensione di 48 V, 24 V o altro dal backplane in una tensione bus intermedia (IBV) inferiore – solitamente di 12 V – che viene distribuita sulla scheda PC. I singoli convertitori Dc/Dc Pol (Point-of-Load) eseguono lo step-down della tensione IBV alla tensione del rail richiesta, di norma compresa tra 0,6 V e 5 V con correnti da 0,5 A a 120 A.  I convertitori Dc/Dc Pol possono essere moduli autonomi, dispositivi monolitici o soluzioni composte da circuiti integrati del controller Dc/Dc con induttanza e condensatori e Mosfet associati. Questi rail devono generalmente rispettare severi requisiti relativi a sequencing, precisione della tensione, limiti di sovracorrente/sovratensione, margining e supervisione.
Il power management sta chiaramente diventando sempre più sofisticato e non è raro trovare schede di circuito con più di 30 rail. Questi tipi di schede sono densamente popolate e il circuito Dpsm non deve occupare troppo spazio sulla scheda, che deve essere semplice da utilizzare e in grado di controllare molti rail. L'LTC2978 di Linear combina tutte le funzionalità necessarie per interagire con i dispositivi LTC3880/1 e LTC2874 e consentire così il controllo di fino a 72 tensioni su un singolo segmento di un bus I2C. L'LTC3880/-1 controlla, monitora e genera fino a due rail a corrente elevata. L'LTC2978 e l'LTC2974 monitorano e controllano rispettivamente fino a 8 e 4 rail. Queste soluzioni possono operare autonomamente oppure comunicare con l'host processor del sistema a scopo di comando, controllo e telemetria.  Il linguaggio di comando PMBus è stato sviluppato per soddisfare i requisiti di grandi sistemi multirail. Oltre alla serie di comandi standard specifici, i dispositivi con conformità PMBus possono anche implementare comandi proprietari e ottenere così funzionalità innovative a valore aggiunto. La standardizzazione della maggior parte dei comandi e dei formati di dati offre un notevole vantaggio agli Oem che producono questi tipi di schede. Il protocollo – implementato sull'interfaccia seriale SMBus – consente la programmazione, il controllo e il monitoraggio in tempo reale dei prodotti per la conversione della potenza. La creazione di standard per i linguaggi di comando e i formati di dati agevola inoltre lo sviluppo e il riutilizzo di prodotti firmware da parte degli Oem, consentendo così a chi progetta sistemi di potenza di accelerare i tempi di commercializzazione. Con oltre 75 funzionalità di comando standard PMBus, gli utenti possono controllare il loro sistema di potenza utilizzando uno dei protocolli di power management standard più comuni. Gli utenti possono anche generare richieste di interruzione del controller di sistema verificando il comportamento del pin Alert in caso di guasti PMBus supportati. La Gui LTpowerPlay fornita consente agli utenti di accedere con facilità alle funzionalità e alle impostazioni dell'LTC3880/-1.

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