摘要

本文將介紹這款PSM集成到1/4磚解決方案參考設計時的優勢及挑戰，并重點討論如何在下一代電源子系統中實現高精度監測、可靠的時序控制和先進的數字化控制。

引言

電信和數據通信電源系統越來越依賴高效的48 V中間總線，并越來越多地使用標準1/4磚(QB)尺寸的熱插拔DC-DC轉換器。隨著新興行業標準的出臺，集成PMBus^?接口并配備穩健的保護電路已成為強制性要求。這清晰地表明，機架服務器和網絡設備正全面轉向數字化管理的電源系統。

LTC2971非常適合滿足這些要求。它可對-60 V到+60 V的兩個穩壓軌進行時序控制和調整，實現可編程故障響應，并將關鍵事件記錄到片上EEPROM。它原生集成了PMBus接口，支持與標準系統監測架構無縫集成；同時，它具有數字電源系統管理(DPSM)功能，包括時序控制、裕量測試、故障檢測和遙測，如今已是復雜電源平臺必不可少的能力。憑借內部EEPROM和獨立看門狗，系統能夠實現自主運行，有效減少主機干預，從而提升整體可靠性。

1/4磚解決方案通常提供一個模擬調整輸入信號(VADJ)，用于微調電壓。這款PSM直接與RUN/ENABLE、VOUT_SNS/FB和溫度檢測引腳連接，而其ISENSE輸入可利用電感DCR或外部分流器來準確測量輸出電流。它具有精密VDAC輸出，支持通過電阻分壓器實現輸出電壓精細調整。在電源板上集成電源系統管理器(PSM)后，設計人員可通過PMBus對所有軌電壓、電流和板溫度進行集中式高精度數字遙測。相較于往往難以滿足數據中心嚴格性能要求的傳統模擬監測解決方案，這種方案的精度和靈活性大幅提升。

1/4磚解決方案

2 kW 1/4磚解決方案¹參考設計采用高可靠性四相架構，利用ADI最新的DC-DC中間總線轉換器(IBC)和耦合電感實現出色的電源傳輸。集成的遙測功能可通過I2C/PMBus提供連續電壓監測、快速故障檢測和實時配置。這款解決方案采用標準化尺寸設計，可無縫集成到各類客戶平臺中，有效提升系統的靈活性、效率和易用性。參見圖1。

圖1 1/4磚解決方案參考設計框圖，采用ADI的48 V IBC MAX17651和LTC2971

關于1/4磚解決方案的主要結論與集成需求

LTC2971與1/4磚轉換器的集成可帶來多項關鍵優勢。

精準遙測

這款PSM通過高分辨率ADC來準確監測電壓和溫度。在1/4磚電路板上，它報告的輸出電壓和溫度的精度在約±0.5%~1.0%范圍內，因此設計人員能夠精準規劃功率預算。電壓、電流和溫度的可靠測量，讓工程師能夠深入了解解決方案在不同條件下的行為，進而在保障安全的前提下，充分挖掘性能潛力。工程師可以在EEPROM中寫入參數限值，并根據遙測數據微調警報閾值，從而確保解決方案始終以最高性能運行，同時避免觸發不必要的故障警報。參見圖2。

數字化控制和時序控制

數據中心的一項關鍵要求是上電時序必須精準，以確保1/4磚解決方案安全、可控、及時地為處理器供電。這款PSM實現了多電源軌啟動、關斷和電壓裕量微調的完全自動化，支持對所有電源軌進行基于時間的時序控制和跟蹤式時序控制。它還能級聯多個1/4磚解決方案，以實現可擴展設計。PSM DRV_EN/RUN和VOUT_EN參數，包括上電延遲、上升時間和時序控制策略，均可通過PMBus命令進行編程設置，確保互連電源軌始終以協調的方式上電和關斷。這種受控時序可使每次電源循環中的電壓過沖和下沖最小化，從而增強數據中心機架的可靠性。

圖2 LTC2971電壓、電流和溫度遙測表

故障管理

這款PSM的一個重要優勢是具有穩健的集成故障管理和事件日志記錄功能。針對電壓或溫度違規情況，可配置觸發鎖存關斷、自動重試或受控斜坡下降。值得注意的是，這款PSM會持續在RAM中緩沖狀態和遙測數據；一旦檢測到故障，它會自動將這些數據提交并保存到非易失性EEPROM中。這種“黑匣子”功能可保留故障時刻的電壓、電流和溫度的完整快照，為之后的精準根因分析提供可靠依據。如LTC2971數據手冊中的概念圖所示，當發生故障事件時，循環緩沖區內容會自動轉移到EEPROM。與基本的PMBus故障寄存器或外部看門狗不同，PSM會記錄完整的運行狀態，而不僅僅是標記錯誤。這些高級特性能夠增強1/4磚解決方案的可靠性，支持詳細的生命周期評估，并通過持續監測和記錄來延長運行壽命。參見圖3。

圖3 LTC2971故障設置配置表

PMBus集成

數據中心規范要求具備穩健的通信接口并支持PMBus協議。作為一款符合PMBus標準的器件，這款PSM遵循行業標準，可與現有系統管理平臺無縫集成。其狀態監測和控制功能可通過標準PMBus命令使用，而且支持LTpowerPlay^?以簡化配置。因此，設計團隊可以離線定義寄存器設置，如電壓軌、限值和時序，然后將其直接寫入EEPROM，從而顯著縮短開發時間。此外，這款PSM的雙向FAULTB引腳允許多個器件根據需要共享或隔離故障線路，有助于實現靈活的故障管理。總體而言，相較于純模擬解決方案，數字化控制能力（包括伺服調整和時序控制）為高級電源管理的實現提供了更高效的途徑。

實施結果

在1/4磚解決方案電路板上²，已證實這款PSM能夠可靠地對IBC的運行、輸入電壓和性能指標進行監測。PMBus遙測保持穩定，并與經校準的臺式數字萬用表(DMM)測量結果一致。經故障注入測試確認，這款PSM正確地關閉了故障通道，并在MFR_FAULT_LOG寄存器中準確記錄了相關事件。系統級驗證表明，集成的數字電源管理沒有引入額外的噪聲或不穩定性，同時受控的軟啟動算法有效防止了柵極驅動器直通，使得輸出波形干凈穩定。I2C接口支持100 kHz至400 kHz的可編程頻率范圍，能夠靈活適應不同通信要求。電壓和溫度讀數與手冊數據高度一致，誤差分別在±0.1%和±0.5%范圍內。參見圖4。

綜合這些結果可以看出，LTC2971通過提供高保真監測、細粒度控制和詳細診斷數據，有效增強了1/4磚電源解決方案。憑借PMBus兼容性，它能夠用于最新電信系統，且幾乎不會遇到互操作性問題。參見圖5。

圖4 適用于54 V轉12 V系統應用的ADI參考設計，連接到LTpowerPlay

圖5 適用于54 V轉12 V系統應用的ADI 1/4磚解決方案參考設計硬件

結語

通過將LTC2971 PSM集成到1/4磚解決方案參考設計中，為直流電源系統帶來了顯著的優勢。片內16位遙測輸入支持高精度監測，滿足嚴格的直流精度要求。內置的時序控制和閉環調整功能，使系統能夠實現精準的多電源軌啟動和關斷控制，而PMBus接口確保能與現代機架管理基礎設施無縫集成。自主故障記錄功能可提供模擬電路難以獨立實現的高級診斷能力。以上功能特性的引入確實要求設計人員關注額外的因素，包括精心的配置、校準和可靠的總線操作。但由此帶來的可靠性、可見性和控制能力的提升，通常足以抵消這些額外負擔。隨著電信和數據中心應用對自動化、網絡管理的電源子系統的需求不斷增長，像PSM這樣的器件有望成為標準構建模塊，為下一代電源架帶來穩健的數字化控制和精準遙測能力。

但需要注意的是，在需要并聯九個以上電源解決方案的應用場景中，受限于PMBus的尋址能力，這款PSM可能不再具有明顯優勢。在這種情況下，其他具備先進尋址能力的ADI PSM IC更為合適。

參考文獻

1 Karl Audison Cabas和Christian Cruz，“助力未來創新：中間總線轉換器——第1部分：優勢”，ADI公司，2025年7月。

2 Karl Audison Cabas和Christian Cruz，“助力未來創新：中間總線轉換器——第2部分：性能”，ADI公司，2025年7月。

作者簡介

Christian Cruz是ADI菲律賓公司的產品應用資深工程師。他擁有菲律賓馬尼拉東方大學的電子工程學士學位。在電力電子和電源控制固件設計領域，包括電源管理解決方案開發及AC-DC和DC-DC電源轉換方面，擁有14年的工程經驗。他于2020年加入ADI公司，目前專注于研發消費和云端基礎設施事業部及系統通信應用所需的電源管理解決方案。

Karl Audison Cabas自2020年9月起擔任ADI公司的應用工程師，專注于電源應用方面的工作。他擁有菲律賓理工大學電子工程學士學位和瑪布亞大學電力電子碩士學位。他在DC-DC電源轉換器方面擁有4年多的經驗。他之前的職責是處理客戶問詢以及與DC-DC轉換器相關的設計問題。他目前擔任云和數據中心應用的電源系統應用工程師。

Ralph Clarenz Matoci?os畢業于菲律賓馬尼拉Pamantasan ng Lungsod ng Maynila(PLM)，獲電子工程學士學位。他在電力電子領域擁有一年多的工程經驗，包括電池管理系統開發和DC-DC電源轉換。他于2022年加入ADI公司，目前擔任云和數據中心應用的電源系統應用工程師。