I forsyningsarkitekturer til moderne datacentre spiller quarter-brick-løsninger (QB) en kritisk rolle i konverteringen af intermediate busspændinger (mellembus-) til de regulerede outputs, som igen forsyner de avancerede processorer. For at opfylde de strenge krav til ydelse og pålidelighed har integrationen af en digital PSM (Power System Manager) fået en meget stor betydning
Artiklen har været bragt i Aktuel Elektronik nr. 5 – 2026 og kan læses herunder uden illustrationer
(læs originaludgaven her)
Af Karl Audison Cabas, senior product applications development engineer, Ralph Clarenz Matocinos, product applications development engineer, og Christian Cruz, staff applications development engineer, Analog Devices Inc.
En ny dobbeltkanal ±60V PSM (Power System Manager) er udstyret med integrerede 16-bit A/D-konvertere til præcise målinger af spænding, strøm og temperatur, programmering af sekvensering servo-trimmer on-chip, tracking af rails og autonom fejlovervågning og -håndtering. Det er egenskaber, der sikrer en robust monitering, strømlinet digital kontrol og kompatibilitet med PMBussen – alt sammen vigtige kvaliteter i 48V-datacenter rack-styringer.
Vi skal i det følgende undersøge PSM’ens fordele og designudfordringer i brugen af PSM’en sammen med de quarter-brick (QB) forsyningsmoduler i referencedesigns, hvor fokus især er på den præcise monitering, pålidelige sekvensering og den avancerede digitale kontrol i næste generation af forsynings-subsystemer til især datacentre.
Telecom- og datacom-forsyninger bruger næsten alle i dag de yderst effektive 48V intermediate busser (mellembusser) med hot-swappable DC/DC-konvertere i det standardiserede QB-footprint tæt på de processorer, der skal forsynes. Nye standarder dikterer nu integrerede PMBus-interfaces og robuste beskyttelseskredsløb med et deraf klart skift imod digitalt styrede forsyningsløsninger til rack-servere og netværksudstyr.
LTC2971 er ideel til at opfylde disse behov. Kredsen sekvenserer og trimmer to regulerede rails mellem -60V og +60V, giver programmérbare fejlresponser og logger kritiske events på en on-board EEPROM. Det indbyggede PMBus-interface giver en sømløs integration med standard systemmoniteringsarkitekturer, mens de digitale power system management-funktioner (DPSM) til sekvensering, margintest, fejldetektering og telemetri nu indgår som essentielle parametre i moderne komplekse forsyningsplatforme. En intern EEPROM og en uafhængig watchdog supporterer ydermere autonom drift med minimale indgreb fra værten til forbedring af den overordnede systempålidelighed.
QB-løsninger har typisk en analog justering af input (VADJ) til trimning af spændingen. PSM’en interfacer direkte med RUN/ENABLE, VOUT_SNS/FB og temperatursensor pins, med kredsens ISENSE-inputs måler output-strømmen præcist med en DCR-induktor eller en ekstern shunt. Kredsens præcise VDAC-output sikrer fintuning af output-spændingen gennem spændingsdelere. Med integrationen af PSM’en på forsyningsprintet får designere adgang til en central og meget præcis telemetri af alle rail-spændinger, -strømme og printtemperaturer via PMBussen, hvilket giver en langt højere præcision og fleksibilitet end tidligere analoge moniteringsløsninger, der ofte slås med at overholde de meget stramme specifikationer for den ydelse, som datacentrene kræver.
Quarter-brick-løsningen
Det viste 2kW quarter-brick referencedesign (figur 1) viser den høje pålidelighed i en firefaset arkitektur med brug af Analog Devices’ nyeste DC/DC intermediate bus-konverter (IBC) med spoler for en fremragende effektfremføring. Den integrerede telemetri giver en kontinuert spændingsmonitering, hurtig fejldetektering og real-time konfigurering via I2C/PMBussen. Løsninger er designet med et standardiseret footprint, som giver en sømløs integration til et utal af kundeløsninger, hvilket øger fleksibiliteten, effektiviteten og den enkle anvendelse.
Med integration af LTC2971 med quarter-brick (QB) konverterne opnår man en række fordele, som nævnt i det følgende.
Præcisionstelemetri
PSM’en indeholder A/D-konvertere med en høj opløsning til nøjagtig monitering af spænding og temperatur. På et QB-print udviser kredsen rapportering af spænding og temperatur med mellem ±0,5 og 1,0 procent nøjagtighed, så man opnår et præcist styret effektbudget. Pålidelige målinger af spænding, strøm og temperatur giver designere et dybt indblik i løsningens behaviour under varierende forhold, så ydelsen kan presses til grænsen uden tab af sikkerhed. Ved at programmere EEPROM’ens parametergrænse og fintuning af advarselstærskelværdierne baseret på telemetri kan designere sikre, at løsningen konsistent giver den maksimale ydelse uden at trigge unødvendige fejlmeldinger (figur 2).
Digital kontrol og sekvensering
Et kritisk krav i datacentre er en præcis sekvensering af forsyningen for at sikre, at QB-løsningerne starter processorerne på en kontrolleret og rettidig måde. PSM-kredsen automatiserer fuldt ud multi-rail startups, shutdowns og spændingsmarginerne med support af både tidsbaseret og sporet sekvensering over de enkelte spændings-rails. PSM’en kan også kaskadekoble multiple QB-løsninger i skalerede designs. PSM DRV_EN/RUN og VOUT_EN-parametre inklusive power-on delays, stigetider og sekvenseringspolitik kan fuldt ud programmeres via PMBus-kommandoer med garanti for, at de indbyrdes forbundne rails altid starter og stopper på en koordineret måde. Den kontrollerede sekvensering minimerer spændings-overshoots og -undershoots under samtlige power-cycles, hvilket øger pålidelighed i datacenter-racks.
Fejlhåndtering
En stor fordel ved PSM’en er en robust, integreret fejlhåndtering og event-logging. Spændinger eller temperaturer uden for grænserne kan konfigureres til at trigge latchede shutdowns, automatiske retries eller en kontrolleret ramp-down af systemet. Kredsen arbejder som noget meget vigtigt med en buffer, der løbende registrerer status og telemetri i et RAM-lager, og ved detektering af fejl bliver data automatisk overført til en non-volatil EEPROM. En sådan blackbox-funktion bevarer et fuldstændigt ”snapshot” af spændinger, strømme og temperaturer i fejløjeblikket, så man kan udføre en præcis root-cause analyse.
Som illustreret i LTC2971-kredsens datablads konceptuelle diagram overføres den cirkulære buffer automatisk til EEPROM’en ved fejl-events. Modsat de basale PMBus-fejlregistre eller eksterne watchdogs så optager PSM’en den komplette driftsstatus frem for blot af flage fejlene. De avancerede funktioner styrker pålideligheden i QB-løsningerne med support af en detaljeret vurdering af livscyklus, så man opnår en udvidet driftslevetid gennem den kontinuerte monitering og logging (figur 3).
PMBus-integration
Datacenterspecifikationerne kræver et robust kommunikationsinterface med PMBus protokol-support. Som PMBus-kompatibel komponent overholder PSM’en industristandarden og kan sømløst integreres med eksisterende system-management-platforme. Statusmonitering og kontrolfunktioner er fuldt tilgængelige gennem standard PMBus-kommandoer, og der er support af LT Power-Play for en strømlinet konfiguration. På den måde kan designteams definere registerindstillinger som spændings-rails, -grænser og sekvensering offline og programmere den direkte ind i EEPROM’en, hvilket i høj grad reducerer udviklingstiden. Desuden gør kredsens tovejs FAULTB-pin det muligt at udføre en fleksibel fejlhåndtering ved at lade multiple komponenter dele eller isolere fejlende linjer efter behov. Overordnet giver de digitale kontrolmuligheder inklusive servo-trimning og -sekvensering en langt mere effektiv vej til avanceret power-management implementering i forhold til de rent analoge løsninger.
Konsekvenser af implementeringen
I en test af QB-løsningens ydelse har PSM-kredsen bevist sin pålidelige monitering af IBC’ens drift, input-spændinger og måling af parametrene. PMBus-telemetrien var stabil og helt overens med de kalibrerede benchtop digitalmultimeter-målinger (DMM). Test med fejlinjektion bekræftede, at kredsen korrekt latchede de fejlende kanaler ”off” og optog de aktuelle events i MFR_FAULT_LOG-registrene. Validering på systemniveau viste, at den integrerede digitale power-management ikke gav hverken ekstra støj eller ustabilitet, mens de kontrollerede softstart-algoritmer effektivt forhindrede gate driver shoot-through, med helt rene output-waveforms som resultat. I2C-interfacet kan programmeres fra 100kHz til 400kHz for at svare til varierende kommunikationskrav, ligesom spændings- og temperaturudlæsningerne var tæt matchet til de manuelle data inden for ±0,1 procent og ±0,5 procent, respektivt (figur 4).
Samlet viser resultaterne, at LTC2971 forbedrer quarter-brick forsyningsløsninger med den troværdige monitering, finkornede kontrol og de detaljerede data for diagnostikken. PMBus-kompatibiliteten sikrer, at kredsen let kan indpasses i moderne telecom-systemer med minimale udfordringer i forhold til kompatibiliteten (figur 5).
Integration af LTC2971 PSM i et QB-referencedesign giver flere store fordele i DC-forsyningssystemer. Med on-chip 16-bit telemetri-inputs opnår man den præcise monitering, der opfylder de strenge krav om DC-nøjagtighed. Den indbyggede sekvensering og closed-loop trim sikrer præcis multi-rail power-up- og power-down-styring, ligesom PMBus-interfacet sikrer sømløs integration med den moderne rack-management infrastruktur. Autonom fejlhåndtering med avanceret diagnostik giver en sikkerhed, som næppe kan realiseres med analoge kredse. PSM-kredse bliver i stigende omfang standard ”byggesten” i datacentrenes forsyninger med deres robuste digitale styring og præcise telemetri. Kommer man dog op på mere end ni parallelle forsyninger, er PSM-modellen mindre fordelagtig, men i så fald er der andre ADI PSM IC’er med avancerede adresseringsegenskaber, som er bedre egnede til opgaven.
Billedtekster:
Figur 1: QB-løsning referencedesign-blokdiagram med ADI’s 48V IBC, MAX17651 og LTC2971.
Figur 2: LTC2971 telemetri-tabel for spænding, strøm og temperatur.
Figur 3: Tabel over LTC2971’s fejlindstillingskonfigurationer.
Figur 4: ADI-referencedesign for en 54V-til-12V systemapplikation forbundet til LT Power-Play.
Figur 5: ADI’s quarter-brick-løsnings referencedesign hardware for en 54V-til-12V systemapplikation
