與十年前相比，如今的電源需要更靈活的電源解決方案和更多的數字控制，特別是在服務器云計算領域。利用電阻和電容脫焊以調整電壓控制環路的時代早已一去不返。

回溯歷史，數字電源控制是從帶有PMBus接口的單相負載點（POL）變換器開始的。如今，它已演變為多相控制方案，可提供高達100A的輸出電流能力， 非常適合多核CPU、加速器、人工智能（AI）芯片和網絡處理器等應用場合。到目前為止，工程師可以通過數字電源控制電路板上的每個開關電源，但卻無法實現對線性穩壓器（也稱為低壓差穩壓器或LDO）的數字控制。然而，隨著數字電源監控IC的出現，工程師現在可以對系統中的每個電源進行完全的數字控制。

本文探討了高性能計算領域的電源管理趨勢，并介紹了如何設計數字控制的LDO穩壓器電路，以實現電壓和電流監測，并通過PMBus指令進行故障遙測。

服務器電源軌的要求

通常來說，云計算服務器需要多相電源控制，分別為內存（VDIMM）和Vcore提供30A到100A的輸出電流能力。低于30A的電源軌則采用單相POL變換器來實現。其余的電源軌為低功率電源軌，通常使用LDO穩壓器實現。圖1顯示了連續幾代服務器所需的電源軌數。如圖所示，未來的服務器將需要超過25個電源軌。

圖1.電源軌數量隨著系統的更新換代而增加

高性能計算領域的另一趨勢是高性能和高效率之間的平衡。系統必須在必要時提供高性能，并在峰值電流模式運行時提供最高效的解決方案。典型要求就是待機或低功耗模式。數字控制的LDO穩壓器可增加余量調節能力，在啟用低功耗模式時降低輸出電壓，甚至可以將電壓設置為零。這種余量調節能力的另一個好處是可以將輸出電壓維持在額定輸出電壓的±10%。顯然，數字控制的LDO穩壓器的另一個好處是可以通過PMBus讀取系統中的每個電源軌，對中斷或故障進行實時監測。

設計數字控制的LDO穩壓器

那么，如何實現數字控制的LDO穩壓器的設計呢？接下來以ISL28023數字電源監測器為例進行說明。ISL28023數字電源監測器是具有PMBus接口的雙向電流檢測放大器，將數字遙測功能融入模擬系統。工程師可靈活地監測、保護和控制系統中的每個LDO。

以下詳細地介紹數字電源監測器。如圖2所示，工程師可使用的多項功能包括：

VBUS/VINP/VINM–——用于監測LDO電壓和電流的主要通道引腳；（注意：電流測量需要外部檢流電阻。）

DAC_OUT——內置的8位DAC，用于調節LDO輸出電壓；

SMBALERT2——數字電源監測器檢測到故障狀態時觸發警報的引腳。用于啟用/禁用LDO；

GND——接地引腳。為了確保電壓和電流測量的正常工作，數字電源監測器和LDO的接地引腳必須連接在一起。

圖2.數字電源監測器框圖

通過將VBUS引腳連接到LDO穩壓器的輸出電壓正端，同時將GND引腳連接在一起，工程師可以使用數字電源監測器實現簡單的電壓測量。但是為了測量LDO的輸出電流，還需要一個外部檢流電阻。

圖3.數字電源監測器測量ISL80101 LDO輸出電壓和輸出電流的典型電路

圖3給出了用數字電源監測器測量LDO輸出電壓和輸出電流的典型電路。VBUS引腳測量LDO VOUT的電壓。差分引腳VP和VM測量Rshunt兩端的電壓。Rshunt的取值需要根據ISL28023中Vshunt的設置和LDO的輸出電流來決定：

公式1 Iout = Vshunt/Rshunt

ISL28023電流監測器的Vshunt允許設置在40mV/80mV范圍內。在實際電流測量時要保證最大限度地利用該范圍。例如，當ISL80101LDO 輸出電流為1A，ISL28023的Vshunt使用80mV范圍時，Rshunt必須確保Vshunt測量值在1A時約為80mV即Rshunt等于80mOhm。

LDO的電壓余量可以通過數字電源監測器的8位DAC輸出來實現。通過將DAC_OUT引腳連接到LDO的反饋網絡（ADJ引腳），可以上調/下調輸出電壓。

圖4.數字電源監測器控制LDO輸出電壓余量的典型電路

事實上，FB或ADJ引腳電壓可以通過DAC的輸出電壓手動更改。根據公式2，LDO穩壓器的輸出電壓可以通過DAC的輸出電壓，R1和R2進行設置。

公式2 Vout = 0.5 + （0.5 – DAC_OUT） * R2/R1

需要注意的是，在設置ISL28023的DAC_OUT值時，，DAC_OUT電壓不得超過0.5V，否則可能導致LDO的錯誤動作。

故障觸發的啟用/禁用

數字電源監測器有兩個SMBALERT引腳，可在滿足故障條件時觸發高/低閾值，也可以強制啟用/禁用LDO。圖5給出了用SMBALERT2引腳啟用/禁用LDO的典型電路。

圖5.數字電源監測器的SMBALERT2引腳啟用/禁用LDO的典型電路

圖3、4和5共同組成了通過ISL28023數字電源監測器和三個外部電阻為簡單的LDO添加遙測功能的完整電路，如圖6所示。

圖6.利用數字電源監測器實現對ISL80101 LDO遙測的完整電路

總 結

過去，系統中只有高功率電源軌才能實現數字控制，低功率LDO則沒有數字接口。如今，ISL28023數字電源監測器實現了低功率電源軌的遙測。從而使系統中的每個電源軌都可以通過PMBus指令進行數字監測、保護和控制。