集成PSM器件以增强48 V数据中心的模块解决方案

作者：Karl Audison Cabas，高级产品应用开发工程师

Ralph Clarenz Matocinos，产品应用开发工程师

Christian Cruz，资深应用开发工程师

摘要

在现代数据中心电源架构中，1/4砖(QB)解决方案发挥着关键作用，能够将中间总线电压转换为稳压输出来驱动先进处理器。为了满足严格的性能和可靠性要求，数字电源系统管理器(PSM)的集成已必不可少。一款全新双通道、±60 V PSM集成了16位ADC，可实现精确的电压、电流和温度遥测，并支持可编程时序控制、片内伺服调整、电源轨跟踪及自主故障管理。这些功能可确保实现稳健的监测、精简的数字化控制和PMBus®兼容，充分满足48 V数据中心机架应用的关键需求。

本文将介绍这款PSM集成到1/4砖解决方案参考设计时的优势及挑战，并重点讨论如何在下一代电源子系统中实现高精度监测、可靠的时序控制和先进的数字化控制。

引言

电信和数据通信电源系统越来越依赖高效的48 V中间总线，并越来越多地使用标准1/4砖(QB)尺寸的热插拔DC-DC转换器。随着新兴行业标准的出台，集成PMBus®接口并配备稳健的保护电路已成为强制性要求。这清晰地表明，机架服务器和网络设备正全面转向数字化管理的电源系统。

LTC2971非常适合满足这些要求。它可对-60 V到+60 V的两个稳压轨进行时序控制和调整，实现可编程故障响应，并将关键事件记录到片上EEPROM。它原生集成了PMBus接口，支持与标准系统监测架构无缝集成；同时，它具有数字电源系统管理(DPSM)功能，包括时序控制、裕量测试、故障检测和遥测，如今已是复杂电源平台必不可少的能力。凭借内部EEPROM和独立看门狗，系统能够实现自主运行，有效减少主机干预，从而提升整体可靠性。

1/4砖解决方案通常提供一个模拟调整输入信号(VADJ)，用于微调电压。这款PSM直接与RUN/ENABLE、VOUT_SNS/FB和温度检测引脚连接，而其ISENSE输入可利用电感DCR或外部分流器来准确测量输出电流。它具有精密VDAC输出，支持通过电阻分压器实现输出电压精细调整。在电源板上集成电源系统管理器(PSM)后，设计人员可通过PMBus对所有轨电压、电流和板温度进行集中式高精度数字遥测。相较于往往难以满足数据中心严格性能要求的传统模拟监测解决方案，这种方案的精度和灵活性大幅提升。

1/4砖解决方案

2 kW 1/4砖解决方案1参考设计采用高可靠性四相架构，利用ADI最新的DC-DC中间总线转换器(IBC)和耦合电感实现出色的电源传输。集成的遥测功能可通过I2C/PMBus提供连续电压监测、快速故障检测和实时配置。这款解决方案采用标准化尺寸设计，可无缝集成到各类客户平台中，有效提升系统的灵活性、效率和易用性。参见图1。

图1.1/4砖解决方案参考设计框图，采用ADI的48 V IBC MAX17651和LTC2971

关于1/4砖解决方案的主要结论与集成需求

LTC2971与1/4砖转换器的集成可带来多项关键优势。

精准遥测

这款PSM通过高分辨率ADC来准确监测电压和温度。在1/4砖电路板上，它报告的输出电压和温度的精度在约±0.5-1.0%范围内，因此设计人员能够精准规划功率预算。电压、电流和温度的可靠测量，让工程师能够深入了解解决方案在不同条件下的行为，进而在保障安全的前提下，充分挖掘性能潜力。工程师可以在EEPROM中写入参数限值，并根据遥测数据微调警报阈值，从而确保解决方案始终以最高性能运行，同时避免触发不必要的故障警报。参见图2。

数字化控制和时序控制

数据中心的一项关键要求是上电时序必须精准，以确保1/4砖解决方案安全、可控、及时地为处理器供电。这款PSM实现了多电源轨启动、关断和电压裕量微调的完全自动化，支持对所有电源轨进行基于时间的时序控制和跟踪式时序控制。它还能级联多个1/4砖解决方案，以实现可扩展设计。PSM DRV_EN/RUN和VOUT_EN参数，包括上电延迟、上升时间和时序控制策略，均可通过PMBus命令进行编程设置，确保互连电源轨始终以协调的方式上电和关断。这种受控时序可使每次电源循环中的电压过冲和下冲最小化，从而增强数据中心机架的可靠性。

图2.LTC2971电压、电流和温度遥测表

故障管理

这款PSM的一个重要优势是具有稳健的集成故障管理和事件日志记录功能。针对电压或温度违规情况，可配置触发锁存关断、自动重试或受控斜坡下降。值得注意的是，这款PSM会持续在RAM中缓冲状态和遥测数据；一旦检测到故障，它会自动将这些数据提交并保存到非易失性EEPROM中。这种“黑匣子”功能可保留故障时刻的电压、电流和温度的完整快照，为之后的精准根因分析提供可靠依据。如LTC2971数据手册中的概念图所示，当发生故障事件时，循环缓冲区内容会自动转移到EEPROM。与基本的PMBus故障寄存器或外部看门狗不同，PSM会记录完整的运行状态，而不仅仅是标记错误。这些高级特性能够增强1/4砖解决方案的可靠性，支持详细的生命周期评估，并通过持续监测和记录来延长运行寿命。参见图3。

图3.LTC2971故障设置配置表

PMBus集成

数据中心规范要求具备稳健的通信接口并支持PMBus协议。作为一款符合PMBus标准的器件，这款PSM遵循行业标准，可与现有系统管理平台无缝集成。其状态监测和控制功能可通过标准PMBus命令使用，而且支持LTpowerPlay®以简化配置。因此，设计团队可以离线定义寄存器设置，如电压轨、限值和时序，然后将其直接写入EEPROM，从而显著缩短开发时间。此外，这款PSM的双向FAULTB引脚允许多个器件根据需要共享或隔离故障线路，有助于实现灵活的故障管理。总体而言，相较于纯模拟解决方案，数字化控制能力（包括伺服调整和时序控制）为高级电源管理的实现提供了更高效的途径。

实施结果

在1/4砖解决方案电路板上2，已证实这款PSM能够可靠地对IBC的运行、输入电压和性能指标进行监测。PMBus遥测保持稳定，并与经校准的台式数字万用表(DMM)测量结果一致。经故障注入测试确认，这款PSM正确地关闭了故障通道，并在MFR_FAULT_LOG寄存器中准确记录了相关事件。系统级验证表明，集成的数字电源管理没有引入额外的噪声或不稳定性，同时受控的软启动算法有效防止了栅极驱动器直通，使得输出波形干净稳定。I2C接口支持100 kHz至400 kHz的可编程频率范围，能够灵活适应不同通信要求。电压和温度读数与手册数据高度一致，误差分别在±0.1%和±0.5%范围内。参见图4。

综合这些结果可以看出，LTC2971通过提供高保真监测、细粒度控制和详细诊断数据，有效增强了1/4砖电源解决方案。凭借PMBus兼容性，它能够用于最新电信系统，且几乎不会遇到互操作性问题。参见图5。

图4.适用于54 V转12 V系统应用的ADI参考设计，连接到LTpowerPlay

图5.适用于54 V转12 V系统应用的ADI 1/4砖解决方案参考设计硬件

结语

通过将LTC2971 PSM集成到1/4砖解决方案参考设计中，为直流电源系统带来了显著的优势。片内16位遥测输入支持高精度监测，满足严格的直流精度要求。内置的时序控制和闭环调整功能，使系统能够实现精准的多电源轨启动和关断控制，而PMBus接口确保能与现代机架管理基础设施无缝集成。自主故障记录功能可提供模拟电路难以独立实现的高级诊断能力。以上功能特性的引入确实要求设计人员关注额外的因素，包括精心的配置、校准和可靠的总线操作。但由此带来的可靠性、可见性和控制能力的提升，通常足以抵消这些额外负担。随着电信和数据中心应用对自动化、网络管理的电源子系统的需求不断增长，像PSM这样的器件有望成为标准构建模块，为下一代电源架带来稳健的数字化控制和精准遥测能力。

但需要注意的是，在需要并联九个以上电源解决方案的应用场景中，受限于PMBus的寻址能力，这款PSM可能不再具有明显优势。在这种情况下，其他具备先进寻址能力的ADI PSM IC更为合适。

参考文献

1 Karl Audison Cabas和Christian Cruz，“助力未来创新：中间总线转换器——第1部分：优势”，ADI公司，2025年7月。

2 Karl Audison Cabas和Christian Cruz，“助力未来创新：中间总线转换器——第2部分：性能”，ADI公司，2025年7月。