Zustand und Betriebsstatus eines Spannungsreglers sind der letzte «blinde Fleck» in modernen Elektroniksystemen, da man normalerweise die relevanten Parameter nicht konfigurieren oder überwachen kann. Gleichwohl kann es für zuverlässigen Betrieb wichtig sein, den Ausgangsspannungsdrift über die Zeit und bei unterschiedlichen Temperaturen zu erfassen und zu reagieren, bevor ein Fehler auftritt. Der DPSM-Ansatz für solch ein System kann die Leistung des Reglers erfassen und melden, damit man Korrekturmassnahmen ergreifen kann, bevor die Spezifikationen nicht erfüllt werden bzw. Fehler auftreten. DPSM bietet dem Anwender folgende Vorteile:
- Schnellere Time-to-Market: Ändern der Leistungsparameter ohne Layoutänderung der Leiterplatte, schnelle Systemcharakterisierung, -optimierung und Datengewinnung
- Sicheres Erfassen der Lastparameter: Steuerung von Genauigkeit über die Zeit und die Temperatur, Margining zur Erfassung der FPGA-Toleranz, verbesserte Systemeffizienz bei Lastabfall
- Sicheres Erfassen der Systemparameter: Digitaler Zugriff auf die Boardlevel-Power-diagnostik, Monitoring und Lokalisieren der Gesamtstromaufnahme, Fehlermana-gement und Registrierung
- Präzises Erfassen der Daten-Center-Parameter: Erkennen von Schwankungen und Veränderungen über die Zeit sowie Trends in der Stromaufnahme, Entwicklung von vorausschauenden Analysen zur Minimierung der Betriebskosten, Treffen von Energiemanagemententscheidungen
Konfigurierbarkeit und Monitoring über Zwei-Draht-Schnittstellen
Aufkommende DPSM-Produkte unterstützen zunehmend Konfigurierbarkeit und Monitoring über Zwei-Draht-Schnittstellen wie PMBus, einen offenen Standard auf I2C-basiertem digitalem Interface-Protokoll. Dies erlaubt die nahtlose Integration von DPSM-Produkten in bestehende Embedded-Systeme und Architekturen, in Board-Mount-Controller (BMCs) und auch IPMI-(Intelligent-Platform-Management-Interface-)Funktionen. Für einfache Anwendung, speziell in der frühen Phase von Hardware-Entwicklung und -Test, verwendet man für die DPSM-Komponenten ein grafisches User Interface (GUI), das mittels USB-to-PMBus Converter Tool (Dongle) auf einem PC läuft. Über die GUI erfolgt die Steuerung und das Monitoring der Schlüsselparameter wie Leistungsaufnahme, Spannung, Sequenzing, Margining und sogar das Monitoring der Fehlerrecords.
Die Sprache PMBus (http://pmbus.org) wurde entwickelt, um den Anforderungen von grossen Multirail-Systemen zu entsprechen. Über entsprechende Standardbefehle können PMBus-konforme Bauteile ihre eigenen proprietären Befehle für weitere wesentliche Merkmale erzeugen. Mit den über 75 PMBus-Standard-Befehlsfunktionen kann der Anwender das Powersystem mit Open-Standard-Powermanagement-Protokollen komplett steuern.
Wann DPSM Sinn macht
Die digitale Steuerung analoger Stromversorgungen über eine einfache PC-Anbindung ist besonders wertvoll in der Entwicklungsphase, um das System schnell zum Laufen zu bringen. Bei mehr als dreissig Point-of-load- (POL-)Spannungen muss der Systemdesigner die Versorgungsspannung abgesetzt über-wachen und einstellen können, ebenso das Sequenzing auf- und abwärts, das Einstellen der Betriebsspannungsgrenzen und das Auslesen von Spannung, Strom und Temperatur. Auch muss er Zugriff auf die Fehlerstatistik bekommen. Für die eng tolerierte Steuerung aller Spannungs-Rails ist eine hohe Genauigkeit von grosser Wichtigkeit, um die maximale Leistung des Systems zu erzielen.
In Datencentern ist die Reduzierung des Energieverbrauchs eine grosse Herausforderung. Dies gelingt durch die Umplanung des Einsatzes von nicht ausgelasteten Servern und das Abschalten von weiteren Servern, basierend auf deren Leistungsverbrauch. Deshalb ist es wichtig, die Leistungsaufnahmen des Equipments zu kennen. DPSM kann diese Daten bereitstellen und erlaubt eine intelligente Entscheidung des Energiemanagements. Man verwendet DPSM, da es präzise Informationen über das Powersystem liefert und in der Lage ist, autonom zu steuern und viele Spannungen zu überwachen. Linear Technology bietet verschiedene digitale Powerprodukte einschliesslich des LTM 4676 (Bild 1).
LTM 4676 – ein DPSM-µModule-Regler
Der LTM 4676 ist ein Zweifach-13- oder Einfach-26-A-μModule-Step-down-DC/DC-Regler mit digitalem Interface. Er erlaubt die abgesetzte Steuerung und Überwachung der Leistungskonditionen und des -verbrauchs von Systemen. Der Chip vereint schnelle analoge Zweifachregelschleifen, präzise Mixed-Sig- nal-Schaltkreise, EEPROM, Power-MOSFETs, Spulen und weitere Komponenten in einem 16×16×5 mm kleinen BGA (Ball Grid Array). Für Point-of-Load bietet der LTM 4676 über den PMBus Konfigurierbarkeit und Telemetrie-Monitoring von der Leistung und den Powermanagementparametern.
Das serielle Zwei-Draht-Interface gestattet Ausgangs-Margining mit entsprechenden programmierbaren Anstiegs- und Abfallraten sowie sequenziellen Verzögerungszeiten. Aus-serdem sind Eingangs- und Ausgangsströme und -spannungen auslesbar, ebenso wie Ausgangsleistung, Temperatur, Einschaltdauer und Spitzenwerte. Für die Evaluierung der Leistung des LTM 4676 und anderer DPSM-Produkte von Linear Technology muss man die LTpowerPlay-GUI-Software für den USB-to-PMBus-Converter herunterladen.
Mit ±1 Prozent maximalen DC-Ausgangsstromfehler über die Temperatur, ±2,5 Prozent Genauigkeit des Read-Back-Stroms, dem integrierten 16-Bit-Delta-Sigma-ADC und einem EEPROM kombiniert der LTM 4676 die Leistung eines leistungsstarken, analogen Schaltreglers mit einer präzisen Mixed- Signal-Datenerfassung. Der IC arbeitet an 4,5 bis 26,5 V Eingangsspannung und reduziert diese auf zwei Ausgänge für 0,5 bis 5,4 V. Zwei Kanäle arbeiten mit Stromaufteilung mit bis zu 26 A. Bis zu vier LTM4676 bieten Stromaufteilung von bis zu 100 A. Eine Konfiguration des EEPROM durch den Kunden ist nicht erforderlich. Mittels Widerstandsbeschaltung stellt man Start-up, Ausgangsspannung, Schaltfrequenz und Kanalphasenwinkel ein. Bild 2 zeigt eine typische Applikation mit dem LTM 4676 mit DPSM für Steuerungs- und Monitorzwecke.
Prüfen der Spannung nach einem Begrenzungsschritt
Oft muss man die Spannung bestimmter Rails begrenzen und diese Spannung dann nach einem Begrenzungsschritt prüfen – mit DPSM geht das einfach und schnell. Bild 3 zeigt die Ausgangsspannung eines LTM 4676-Reglers nach einem PMBus-Befehl auf 7,5 Prozent Begrenzung. Der nominale 1-V-Ausgang geht auf 0,92 V und der nominale 1,8-V-Ausgang geht auf 1,66 V. Mittels LTpowerPlay lässt sich dies auf bis zu 72 Rails erweitern.
Jeden der zwei Onboard-DC/DC-Wandler kann man mit seiner eigenen Eingangsspannung versorgen. Bild 4 zeigt den Stromverlauf an diesen zwei Eingangsspannungsquellen. Daraus lassen sich für das Energiemanagement anhand von Schwankungen und Veränderungen über die Zeit, Leistungsverbrauchsdaten ermitteln und Trends erkennen.
Über dreissig Versorgungsrails auf einem Systemboard sind keine Seltenheit. Diese Boards sind dicht bestückt, und damit bleibt nicht viel Platz für ein DPSM-System. Dieses muss einfach anzuwenden und in der Lage sein, viele Rails zu überwachen. Auch muss diese Lösung autonom arbeiten oder mit dem System-Host-Prozessor mittels Befehlen und Steuersignalen kommunizieren; auch werden so Telemetrieinformationen übermittelt.
Fazit
Mit DPSM lassen sich Stromversorgungen über eine einfache PC-Anbindung und ein Digitalinterface konfigurieren und überwachen. Es ist während der Entwicklung und dem Debugging ein wertvolles Tool, denn der Designer kann das System rasch aufbauen und zum Laufen bringen. Dies mit der Möglichkeit Versorgungsspannungen, Grenzen und Sequenzing zu steuern und einzustellen. DPSM vereinfacht den Margining-Test, da der gesamte Test mit ein paar Befehlen über den I2C/PMBus gesteuert wird.
DPSM liefert dem Anwender Verbrauchsdaten für intelligente Energiemanagemententscheidungen, die den Gesamtverbrauch reduzieren können. Der OEM erhält Systemdaten über den Zustand der Stromversorgung und lässt auch den «blinden Fleck» bezüglich der DC/DC-Wandler verschwinden. Man kann reagieren, bevor ein Fehler auftritt. Anhand des Fehlerlogs kann man Fehler erkennen sowie den Verlauf der Boardtemperatur und den Zeitpunkt des Auftretens eines Fehlers.
Datasheet: 12-13_14.50.pdf
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