采用PMBus总线接口的LM系统保护和监控集成电路PPT课件

1、1,采用 PMBus 总线接口的 LM25066 系统保护和监控集成电路,2,2,集成多种信息传输功能的高速网络 未来的主要发展趋势,由于一般网络都具备语音/视频/数据传输功能，因此预计网络带宽会大幅飙升，以满足这方面的发展要求 消费者在网上传送的信息之中有 90% 属于视频信号 预计移动数据的传输量会上升 66 倍 IT 云端服务会增加 3 倍 IT 企业的最大顾虑 电费和散热方面的开支 总成本 容量、实际可用时间和稳定性 必须采用全新的运营模式，才可严格管理和控制有关资源 严密监控功耗 提高系统的实际可用时间以及提供完善的保护,路由器和交换机,刀片服务器,客户必须采用灵活的方法，提高系统的

2、容量和实际可用时间，才可降低系统的总成本。,资料来源：The Uptime Institute,3,3,企业级数据中心/商用电信系统必须具备不同层次的功能,可靠性和保护功能,收入和利润,提供多重保护的负载控制和监控系统,4,4,数据中心的内部结构,刀片层是数据中心机架的最重要部分 目前我们都很清楚外层刀片的操作情况 内层的印制电路板必须具备控制和诊断功能，才可充分管理及保护系统的这个信息处理中心,5,5,最新情报,LM25066 芯片内置监控、保护和控制功能块，以便管理机架每一刀片的电子操作情况 可以严密监控系统在关键情况下的功耗和潜在的故障 还有全套功能齐备的开发工具，因此可以简化应用的电路

3、设计和系统的验证过程,美国国家半导体推出业界首款采用 PMBus 总线的系统电源管理和保护电路,6,6,LM25066 芯片的相关应用,7,7,带 PMBus 总线接口的 LM25066 系统电源保护及管理集成电路,主要特性 全方位的系统保护及管理 热插拔/浪涌电流控制功能，而且可以设置电流及功率限幅 实时的系统遥测监控功能 符合 PMBus 标准的 I2C/SMBus 接口 实时监控系统的关键参数 电压、电流、功率、温度及故障情况 可以同时测量电压/电流大小，因此读数可真正反映印制电路板的实际功耗 最高保持测量值及可编程平均测量值 “快拍” (Snapshot) 分组读取遥测/故障捕捉模式

4、高度的灵活性及可编程能力 可调整的限流值及断路器阈值 可灵活设置故障报警阈值 2.9V 至 17V 的工作电压范围 可支持普遍采用的 12V、5V 和 3.3V 中间总线电压,8,应用: 基建设备背板及线路插件,将插件插入背板时，模块内的大容量输入电容器会提供一条交流电阻抗较小的路径 将较高的浪涌电流引入线路插件 若输入电容器已放电，背板会提供较高的电流输出 (可能超过 100A) 若浪涌电流过高，电容器、印制电路板走线及边缘连接器都会受损 浪涌电流也会令供电电压急跌，而其他线路插件也会随着复位或被关闭,8,9,应用: 基建设备背板及线路插件,LM25066 控制器: 控制浪涌电流 让电路板可

5、以遥测有关参数的数值，其中包括输入电压 (VIN)、输出电压 (VOUT)、引脚 (PIN) 输入 (IN) 及温度 (TEMP) 将故障电路板隔离，以便进行维修 每当电压超出规定范围，便会监控背板电压以及隔离有问题模块 一旦出现短路，便会中断电路板功能 适用于必须配备以下功能的应用: 过压检测 过流保护 故障修复后，便会发出允许指令，重新启动电路板,9,10,典型的刀片服务器,10,90-260 VAC,90-260 VAC,负载点 控制器,负载点 稳压器,B,A,ORing FET,LM25061/9 热插拔,AC-DC 12 VDC, 50A,AC-DC 12 VDC, 50A,典型负载

6、: 1V, 90A 1.2V, 20A 1.5V, 15A 0.9V Vtt, 5A 1.8V Mem 60A 2.5V, 15A 5V, 25A,典型负载: 1V, 90A 1.2V, 20A 1.5V, 15A 0.9V Vtt, 5A 1.8V Mem 60A 2.5V, 15A 5V, 25A,处理器刀片服务器,处理器刀片服务器,处理器刀片服务器,12V,ORing FET,12V,LM25061/9 热插拔,负载点 控制器,负载点 控制器,11,带系统监控功能的典型刀片服务器,内置的电源管理接口可支持参数遥测、实时优化、故障诊断和预报等功能,11,90-260 VAC,90-260

7、VAC,负载点 控制器,负载点 控制器,负载点 稳压器,B,A,ORing FET,LM25066 系统监控及保护,负载点 稳压器,SMBus,AC-DC12 VDC, 50ALM5021,AC-DC12 VDC, 50ALM5021,典型负载: 1V, 90A 1.2V, 20A 1.5V, 15A 0.9V Vtt, 5A 1.8V Mem 60A 2.5V, 15A 5V, 25A,典型负载: 1V, 90A 1.2V, 20A 1.5V, 15A 0.9V Vtt, 5A 1.8V Mem 60A 2.5V, 15A 5V, 25A,处理器刀片服务器,处理器刀片服务器,处理器刀片服务器

8、,SMBus,系统 管理 单元,12V,ORing FET,12V,LM25066 系统监控及保护,12,功能齐备的系统电源保护电路,12,输入欠压锁定和过压锁定检测,输出供电正常标记,可通过引脚配置的功率限值阈值,输入电流及功率限幅,利用符合 PMBus 标准的I2C/SMBus 接口执行遥测及故障监控功能,可配置的故障打嗝定时及故障重试模式,辅助电源为模拟/数字转换器提供输入电压,温度测量,13,13,LM25066 芯片的优点,延长系统的实际可用时间以及提供更可靠的保护 提高系统进行热插拔时的操作稳定性 多重的故障监控功能 可以通过检测更早发现潜在的故障 不受极端的瞬态情况影响 降低系统

9、的总成本 (包括电费开支) 具备灵活的监控及管理功能，确保可广泛管理净载荷 可以严密监控供电量，确保耗电不会超出预置的极限，以便提高系统效率 印制电路板的技术集成度及成本的节省幅度 印制电路板可以缩小 5 倍以上 元器件可以减少 50% 以上,680 mm2 39 颗元器件,120 mm2 17 颗元器件,LM25066,刀片服务器,14,14,LM25066 芯片的结构框图,15,15,美国国家半导体的系统保护电路的优点: 通过管理功能确保 MOSFET 停留在安全操作区内操作,请参阅有关这一设计的专题文章“功率限幅功能可以提高系统进行热插拔时的操作稳定性”,IR IRF8010 100V

10、“80A” NCHANNEL FET D2 PACKAGE USED,功率限幅及限流,适用于所有 VDS 电压的全面性电路及 MOSFET 保护功能,确保 MOSFET 无论在任何情况下都停留在安全操作区内操作 防止出现较大的电流尖峰 可以采用较小及成本较低的 FET 提高系统的长期稳定性及可靠性,美国国家半导体的热插拔控制器配备功率限幅及限流功能:,16,为何采用 PMBUS?,16,I2C,SMBUS,PMBUS,在 80 年代初由飞利浦半导体 (Philips Semiconductor) 成功开发 漏极开路双线接口 (时钟 + 数据) 获业界广泛采用,为克服 I2C 的设计问题而加以改

11、善的改良版接口 悬挂的总线 添加封包错误检测功能 可支持时钟延长 清晰界定处理事务的协议,符合 SMBUS v2.0 标准 (PMBUS v1.2 标准) 的数据传输功能 按照供电系统的需要而编写的标准指令代码 容许采用 400 kHz 时钟 (SMBUS 100 kHz) 新加的 GROUP 协议,17,不同协议之间的电气特性差异,17,18,LM25066 PMBUS 指令集,18,19,LM25066 PMBUS 指令集,19,20,LM25066 PMBUS 指令集生产商的特别指令,20,系统默认设置,21,21,LM25066 芯片的应用设计工具,输入系统及应用的参数,核实安全操作区

12、,元器件的计算数值,22,22,PMBus 总线的配置及遥测功能,输出电压若下跌，便会触发欠压及 PG 故障的警告,LM25066 芯片向系统发出有关故障的报警,23,如何利用 LM25066 芯片设计系统的监控功能,24,插件的插接过程,插入插件时系统会出现什么变化?: 快速的输入 dv/dt 接触抖动 抖动过后，LM25066 芯片开始控制启动 启动必须在预先设置的时间之前出现,24,25,如何设置过压锁定和欠压锁定,25,输入欠压锁定和过压锁定检测功能,26,限流功能,26,出现以下情况时会执行限流功能:,启动时出现浪涌电流 出现故障情况 出现超时而 FET 已被关闭,以下情况的限流值：

13、 25mV : CL = GND 50mV : CL = VDD,输入电流及功率限幅功能,27,如何设置功率限幅功能,27,功率限幅功能的优点,可以利用引脚设置功率限幅阈值,输入电流及功率限幅功能,28,若同时有多个 FET 便须采用热插拔功能,28,何时采用及为何必须采用热插拔功能?,若应用的安全操作区已超出一个 FET 所能应付的范围时便须采用此功能 功率限幅功能可减少所需 FET 的数目 避免 FET 过度受热 若 TJ 温度超过 25C，FET 的安全操作区便会缩少 留意栅极的电容 !,29,采用多个开关 FET,29,采用正确的线路布局，便可共用 FET 电流,30,利用供电正常 (

14、PG) 指令控制加载过程,30,提示：过早加载会延迟输出的上升时间，并会引致输出超出故障时间,输出供电正常标记,31,哪些才是引致故障出现的决定性因素,断路器 CB = VDD : 4 x CL CB = GND : 2 x CL,/RETRY 可用以配置重试次数 /RETRY = VDD : 0 次重试 /RETRY = GND : 无限次重试,31,32,为 LM25066 芯片提供寻址码,32,提示：系统一旦启动，寻址功能便会锁定 (利用 VDD 拉高引脚),33,其他问题,33,连接电源的导线必须在靠近电源的位置加设电容器，因为只有这样才可限制瞬态的波动幅度，而瞬态往往在负载电流关闭后

15、便会出现。,背板必须加设电容器,导线电感,电源供应,绝对不可忽视,绝对有必要,边缘连接器,34,提示 - 可能会有不如意的事出现,34,这款热插拔测试电路的输入端没有加设抑制电压尖峰的电容器,35,系统布局 - LM25066 芯片,35,插件的布局,最传统 CTIMER 数值较大时便无需提供栅极允许 (EN) 功能 输入电容跳动问题较少 置于系统控制器附近，因此 PMBus 引脚无需将信号传送到插件 由于插入插件前已有供电，因此任何易失的设置值都可预先配置 无需检测插件是否已插接以及元器件是否有栅极允许功能,背板的布局,36,LM25066 评估电路板,VIN = 12V, CL = 100

16、A, 必须倚靠气流散热,36,37,LM25066 EVM 高电流系统设计,37,主要 元器件,NXP PSMN1R2-25YL (也可采用其他产品) 1.2mW RDS，100A 的最高耗电量，25V 的最高 VDS 电压,FETs,Vishay WSL3921 3W, 1%, 较低的温度系数 (20 ppm/OC),一个或多个检测电阻,3904 NPN 晶体管,温度检测二极管,Protection Diodes,LittelFuse SMCJ14A 输入电压瞬态保护 (主要为准备关机的高电流系统提供保护，尤其是有关系统都铺设了电感输入走线) Diodes inc. B520C 一旦出现短路

17、情况，输出肖特基二极管可提供保护。(将电感器连接成短路或截断短路都会产生超出元器件工作电压范围的尖峰),38,LM25066 评估模块的系统设计,38,39,LM25066 高电流印制电路板设计 (顶层),39,已隔离的本地芯片接地层,连接两个 FET 的对称导线,40,LM25066 高电流印制电路板设计 (中间夹层 1),40,将 D+ 及接地的连线连接 3904，然后重新连接芯片，成为一组差分双绞线,适用于LM25066 配置的隔离接地层连接芯片接地,确保 SDA、SCL 及 SMBA 远离灵敏的模拟节点,41,LM25066 高电流印制电路板设计 (中间夹层 2),41,连接 PGD 及 VOUT 装置的输出电压检测线路,RS- 检测 连线,42,LM25066 高电流印制电路板设计 (底层),42,保护二极管应将输入电压、输出电压与芯片接地连接一起,43,43,应用设计工具,评估板 应用软件 系统演示板,44,44,在 APEC 2010 上展出的系统电源管理演示板,功能齐备的系统供电平台 配备所需软/硬件,图形用户接口,TCA 机架,可以热插拔的 AMC 插件,LM3754 多相负载点控制器,DAC124S085 I2C D/A 转换器,ADC128D818 I2C 8 通道 A/D 转换器,LM25066 PMBus 保护