Benvenuti a un nuovo appuntamento con la Rubrica Firmware Reload di Elettronica Open Source. In questa Rubrica del blog EOS abbiamo raccolto gli articoli tecnici della vecchia rivista cartacea Firmware, che contengono argomenti e temi passati ancora di interesse per Professionisti, Makers, Hobbisti e Appassionati di elettronica. Vi è mai capitato di pensare che fosse l’ora di controllare gli alimentatori? No? Allora dovreste farlo, considerato che sta prendendo sempre più piede la tendenza a configurare e a monitorare gli alimentatori attraverso un bus di comunicazione digitale. Stiamo parlando del cosiddetto “Digital Power” o “Digital Power System Management” (DPSM), una tecnica che consente ai progettisti di semplificare e accelerare la caratterizzazione del sistema, l’ottimizzazione e il data mining durante la prototipazione, l’implementazione e il funzionamento sul campo.
Introduzione
Conoscere le condizioni e lo stato operativo di un regolatore di tensione è forse l’ultimo “punto cieco” rimasto nei moderni sistemi elettronici che, normalmente, non hanno i mezzi per configurare direttamente o monitorare a distanza i parametri operativi principali. Eppure, ai fini di un funzionamento affidabile, può essere di fondamentale importanza rilevare la deriva della tensione di uscita di un regolatore nel tempo o in caso di surriscaldamento, e intervenire di conseguenza prima che possa verificarsi un guasto. Il DPSM in un sistema di questo tipo può monitorare le prestazioni del regolatore di tensione e segnalare le sue condizioni, consentendo l’adozione di azioni correttive prima che il dispositivo superi i valori impostati o si guasti. Il DPSM consente agli utenti di intervenire in base alle informazioni raccolte dal carico e dal sistema, con i seguenti vantaggi:
- Time-to-market più rapido
Modifica dei parametri relativi all’alimentazione senza rifare il circuito stampato
Caratterizzazione del sistema, ottimizzazione e data mining più rapidi
- Vantaggi a livello di carico
Controllo precisione alimentatore nel tempo e temperatura
Margining delle tolleranze negli FPGA di prova
Aumento dell’efficienza del sistema mediante alleggerimento del carico
- Vantaggi a livello di sistema
Accesso digitale alla diagnostica dell’alimentazione a livello di scheda
Monitoraggio e indicazione del consumo di energia del sistema
Gestione/segnalazione dei guasti
- Vantaggi per i centri di elaborazione dati
Tendenze dei consumi, rilevazione variazioni e modifiche nel tempo
Elaborazione di analisi di previsione per ridurre al minimo i costi di esercizio
Decisioni in materia di gestione energetica
I prodotti DPSM emergenti tendono a supportare la configurabilità e il monitoraggio mediante un’interfaccia a 2 fili come il PMBus, un protocollo di interfaccia digitale aperto, basato su I²C. Questo consente ai prodotti DPSM di integrarsi alla perfezione con sistemi embedded e architetture esistenti, dispositivi BMC (Board Mount Controller) e funzioni IPMI (Intelligent Platform Management Interface). Ai fini di una maggiore semplicità e facilità d’uso, soprattutto nelle primissime fasi dello sviluppo e del collaudo hardware, è normale interagire con dispositivi DPSM mediante un’interfaccia grafica utente (GUI) su PC e un tool di conversione delle comunicazioni USB-PMBus (denominato "dongle"). La GUI può offrire funzioni di controllo e monitoraggio di parametri operativi fondamentali, tra cui consumo energetico, tensioni, sequencing, margining e registri degli errori. Il linguaggio di comando del PMBus è stato creato per soddisfare le esigenze dei grandi sistemi multirail.
Oltre a un gruppo ben definito di comandi standard, i dispositivi "PMBus-compliant" possono utilizzare anche i loro comandi proprietari per fornire innovative funzioni a valore aggiunto. La standardizzazione della maggior parte dei comandi e del formato dei dati è un grande vantaggio per gli OEM che producono questi tipi di schede di sistema. Il protocollo viene implementato in aggiunta all’interfaccia seriale SMBus standard e consente di programmare, controllare e monitorare in tempo reale i prodotti di conversione della potenza. La standardizzazione dei linguaggi di comando e del formato dei dati facilita lo sviluppo di firmware e il loro riutilizzo da parte degli OEM, con conseguente riduzione del time-to-market per i progettisti dei sistemi di alimentazione. Maggiori informazioni sono reperibili su http://pmbus.org. Grazie a oltre 75 funzioni di comando standard PMBus, gli utenti possono avere il controllo completo del proprio sistema di alimentazione usando uno dei più diffusi protocolli aperti di power management.
QUANDO HA SENSO ADOTTARE IL DPSM
Il controllo digitale degli alimentatori analogici con una semplice connessione al PC è particolarmente importante durante la fase di sviluppo per rendere operativo velocemente il sistema. Si possono avere anche 30 rail di tensione POL (Point-Of-Load) e il progettista deve poter monitorare e regolare con facilità le tensioni di alimentazione, mettere in sequenza gli alimentatori per l’accensione/ lo spegnimento, impostare limiti della tensione d’esercizio e leggere parametri come tensione, corrente e temperatura, oltre che accedere ai registri degli errori dettagliati. La precisione è importantissima in questi sistemi per mantenere sotto rigoroso controllo i rail e, allo stesso tempo, ottenere il massimo in fatto di prestazioni. Un problema specifico dei centri di elaborazione dati è la riduzione del consumo generale che si può ottenere riprogrammando l’uso dei server sottoutilizzati e consentendo lo spegnimento di altri server in base all’energia consumata. Per soddisfare queste esigenze è essenziale sapere quanta energia consumano le apparecchiature.
Grazie alle informazioni fornite dal DPSM l’utente può prendere decisioni adeguate in materia di gestione energetica. Prendiamo, ad esempio, la protezione di costosi ASIC da potenziali eventi di sovratensione. I comparatori ad alta velocità devono monitorare i livelli di tensione di ogni rail e adottare misure protettive immediate nel caso in cui uno dei rail superi i limiti di sicurezza predefiniti. Con il DPSM l’host viene avvertito in caso di errore mediante la linea di segnalazione PMBus e i relativi rail vengono disattivati per proteggere il carico. Un livello di protezione di questo tipo richiede la massima precisione e tempi di risposta molto rapidi. Il DPSM viene adottato per la sua capacità di fornire informazioni accurate sul sistema di alimentazione e di controllare in modo autonomo molte tensioni.
LTM4676, REGOLATORE MODULE DPSM
L’LTM4676 è un regolatore Module® (micromodule) DC/DC step-down a due uscite da 13A oppure a un’uscita da 26A con interfaccia digitale, che consente agli operatori di sistema di controllare e monitorare a distanza le condizioni dell’alimentazione e i consumi del sistema. Il dispositivo è composto da due loop di controllo analogici veloci, circuiti di precisione a segnale misto, EEPROM, MOSFET di potenza, induttori e componenti di supporto alloggiati in un package BGA (Ball Grid Array) da 16mm x 16mm x 5mm. Oltre a fornire potenza a un punto di carico, l’LTM4676 consente la configurabilità e il monitoraggio della telemetria della potenza e dei parametri di power management su PMBus. L’interfaccia seriale a due fili dell’LTM4676 consente di marginare, sintonizzare e aumentare o ridurre le uscite a slew rate programmabili con ritardi sequenziali. È possibile leggere i valori relativi a correnti e tensioni di ingresso e uscita, tensione di uscita, temperature, tempo operativo e valori di picco.
Per valutare le prestazioni dell’LTM4676 e di altri prodotti DPSM sono disponibili la GUI LTpowerPlay™ e un convertitore USB-PMBus. Con un errore dell’uscita massimo pari a +/-1% in funzione della temperatura, una precisione di lettura della corrente di +/-2,5%, un ADC delta-sigma a 16 bit e una EEPROM, l’LTM4676 combina le prestazioni del migliore regolatore di commutazione analogico della categoria con l’acquisizione precisa dei dati a segnale misto. L’LTM4676 funziona con alimentazioni che vanno da 4,5V a 26,5V e porta il valore VIN a due uscite comprese tra 0,5V e 5,4V. Due canali possono condividere la corrente per fornire fino a 26A (esempio 13A+13A come unica uscita). Fino a quattro dispositivi LTM4676 possono condividere la corrente fino ad un’uscita di 100A. Non è necessaria una configurazione personalizzata del contenuto della EEPROM. All’avvio è possibile impostare tensioni di uscita, frequenza di commutazione e le assegnazioni dello sfasamento dei canali con la tecnica di "pin strapping" delle resistenze. Nella Figura 1 si vede un’applicazione tipica che utilizza l’LTM4676 come regolatore Module da 13A a due uscite, con DPSM con funzioni di controllo e monitoraggio.
Figura 1: Regolatore Module da 13A a due uscite, con DPSM con funzioni di controllo e monitoraggio
Occorre spesso marginare diversi rail su determinate tensioni e controllare i livelli di tensione di ognuno dopo ogni fase di margining. Il DPSM consente di semplificare e velocizzare questo processo. La Figura 2 mostra in che modo le tensioni di uscita di un regolatore μModule LTM4676 reagiscono a un comando di PMBus margine basso 7,5%.
Figura 2: Lettura della tensione di uscita con il DPSM dell’LTM4676, VOUT con margine 7,5% basso
L’uscita da 1V nominale va a 0,92V e l’uscita da 1,8V nominale va a 1,66V. L’ampliamento di questa caratteristica a 72 rail è possibile grazie a LTpowerPlay che facilita il processo di margining e la verifica delle impostazioni della tensione. L’LTM4676 è in grado di alimentare ognuno dei due convertitori DC/DC integrati con la sua tensione di ingresso dedicata. La Figura 3 mostra la variazione della corrente di ingresso di queste due fonti di tensioni di ingresso.
Figura 3: Lettura della corrente di ingresso con il DPSM dell’LTM4676 per applicazioni reali
Questa funzione consente di ottenere dati relativi ai consumi e di monitorare tendenze, rilevare variazioni e cambiamenti nel tempo e adottare le decisioni più adatte in materia di gestione energetica. Non è insolito che una scheda di sistema abbia più di 30 rail di potenza. Di solito le schede di questo tipo sono densamente popolate e i circuiti del DPSM non possono occupare molto spazio. Inoltre, devono essere facili da usare e in grado di controllare un numero elevato di rail. Queste soluzioni devono operare in modo autonomo o comunicare con un processore host per funzioni di comando e controllo e fornire dati di telemetria. I dispositivi LTM4676, LTC2977, LTC2974, LTC3880, LTC3883 possono essere combinati per controllare fino a 72 tensioni in un solo segmento di un bus I2C. L’LTM4676 e l’LTC3880 gestiscono e generano fino a due rail ad alta corrente. L’LTC3883 gestisce e sviluppa una sola uscita d’alta corrente. L’LTC2977 gestisce fino a otto rail e l’LTC2974 ne gestisce fino a quattro. Nella Figura 4 si vede in che modo è possibile controllare un sistema multirail mediante diversi dispositivi μModule, manager e controller DC/DC. Di solito questi rail hanno requisiti rigorosi relativi a sequencing, precisione della tensione, limiti di sovracorrente e sovratensione, margining e supervisione.
Figura 4: Schema a blocchi relativo al controllo di 19 rail mediante un’interfaccia I2C/PMBus
CONCLUSIONI
Grazie al DPSM i progettisti possono controllare gli alimentatori mediante una semplice connessione con il PC e un’interfaccia digitale. Si tratta di caratteristica molto importante nella fase di sviluppo e debug in quanto consente ai progettisti di rendere i sistemi velocemente operativi e di controllare e regolare tensioni di alimentazione, limiti e sequencing. Il margining viene facilitato in quanto l’intero test può essere controllato con alcuni comandi di un’interfaccia I2C/PMBus. Il DPSM fornisce dati sui consumi e consente di adottare decisioni adeguate in materia di gestione energetica e di ridurre il consumo generale.
Grazie alla possibilità di trasmettere all’OEM i dati del sistema di alimentazione è possibile risolvere i “punti ciechi” dei convertitori DC/DC. È possibile rilevare la deriva della tensione di uscita di un regolatore nel tempo o in caso di surriscaldamento e intervenire di conseguenza prima che possa verificarsi un guasto. In caso di reso di una scheda, è possibile leggere il registro degli errori e determinare il tipo di errore e il momento in cui si è verificato e avere la temperatura della scheda. Questi dati possono essere usati per individuare velocemente la causa, capire se il sistema è stato utilizzato al di fuori dei valori limite specificati o migliorare la progettazione di altri prodotti. Il Digital Power System Management è un potente tool per i sistemi con un numero elevato di rail e per gli OEM che vogliono tenere sotto controllo i propri sistemi di alimentazione.
