PSM強化監測精度與時序能力　資料中心電源邁向數位控制

在現代資料中心電源架構中，1/4磚(QB)解決方案發揮關鍵作用，將中間匯流排電壓轉換為穩壓輸出，以驅動先進處理器。為了滿足嚴格的性能和可靠性要求，數位電源系統管理器(PSM)的整合已不可或缺。一款全新雙通道、±60V PSM整合了16位元ADC，可實現精確的電壓、電流和溫度遙測，並支援可程式化時序控制、晶片內建回授控制機制、電源軌追蹤(Power Rail Tracking)及自動化故障管理。這些功能可確保實現穩健的監測、簡化的數位控制架構和PMBus相容，充分滿足48V資料中心機架應用的關鍵需求。

下文將介紹這款PSM整合至1/4磚解決方案參考設計時的優勢及挑戰，並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位化控制。

48V架構驅動電源數位化

電信和資料通訊電源系統越來越依賴高效的48V中間匯流排，並日益廣泛採用標準1/4磚(QB)尺寸的熱插拔DC-DC轉換器。隨著新興產業標準的制定，整合PMBus介面並配備穩健的保護電路已成為強制性要求。顯示機架伺服器和網路設備逐步轉向數位化電源管理架構。

1/4磚解決方案通常提供一個類比調整輸入訊號(VADJ)，用於微調電壓。該PSM直接與RUN/ENABLE、VOUT_SNS/FB和溫度感測接腳連接，而其ISENSE輸入可利用電感直流電阻(DC Resistance, DCR)或外接式分流器來準確測量輸出電流。其具有精密VDAC輸出，支援透過電阻分壓器實現輸出電壓精細調整。在電源板上整合電源系統管理器(PSM)後，設計人員可透過PMBus對所有軌電壓、電流與板溫度進行集中式高精度數位遙測。相較於往往難以滿足資料中心嚴格性能要求的傳統類比監測解決方案，這種方案的精度和彈性大幅提升。

1/4磚電源架構設計重點

2kW 1/4磚解決方案設計採用高可靠性四相架構[1]，藉由ADI DC-DC中間匯流排轉換器(Intermediate Bus Converter, IBC)和耦合電感實現高效能電源傳輸。整合的遙測功能可透過I2C/PMBus提供連續電壓監測、快速故障檢測和即時配置。

此解決方案採用標準化尺寸設計，可整合至各類系統平台中，有助於提升系統彈性與運作效率(圖1)。

1/4磚整合關鍵與設計重點

LTC2971與1/4磚轉換器的整合可帶來多項關鍵優勢：

精準遙測

此PSM透過高解析度ADC來準確監測電壓和溫度。在1/4磚電路板上，其報告的輸出電壓和溫度的精度在約±0.5-1.0%範圍內，因此設計人員能夠精確進行功率預算評估。電壓、電流和溫度的可靠測量，讓工程師能夠深入瞭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，於安全範圍內提升效能表現。工程師可以在EEPROM中寫入參數限值，並根據遙測資料微調警報閾值，進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(圖2)。

數位化控制和時序控制

資料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、可控與及時地為處理器供電。該PSM實現了多電源軌啟動、關斷和電壓餘裕微調的完全自動化，支援對所有電源軌進行基於時間的時序控制和追蹤式時序控制。並可串接多個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，均可透過PMBus命令進行程式化設定，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迴圈中的電壓過沖和下沖最小化，進而強化資料中心機架的可靠性。

故障管理

PSM的一個重要優勢是具有穩健的整合故障管理和事件日誌記錄功能。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，PSM會持續在RAM中緩衝狀態和遙測資料；一旦檢測到故障，它會自動將這些資料提交並保存到非揮發性EEPROM中。這種事件記錄機制(黑盒子)功能可保留故障時刻的電壓、電流和溫度的完整快照，為之後的精準根因分析提供可靠依據。如LTC2971資料手冊中的概念圖所示，當發生故障事件時，迴圈緩衝區內容會自動轉移到EEPROM。與基本的PMBus故障暫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。這些高階特性能夠增強1/4磚解決方案的可靠性，支援詳細的生命週期評估，並透過持續監測和記錄來延長運行壽命(圖3)。

PMBus整合

資料中心規範要求具備穩健的通訊介面並支援PMBus協定。作為一款符合PMBus標準的元件，此PSM遵循業界標準，可與現有系統管理平台無縫整合。其狀態監測和控制功能可透過標準PMBus命令使用，而且支援LTpowerPlay以簡化配置。因此，設計團隊可以離線定義暫存器設定，如電壓軌、限值和時序，然後將其直接寫入EEPROM，有助於縮短開發時程。此外，該PSM的雙向FAULTB接腳允許多個元件根據需要共用或隔離故障線路，有助於實現彈性的故障管理。整體而言，相較於純類比解決方案，數位化控制能力(包括伺服調整和時序控制)為進階電源管理的實現提供了更高效的途徑。

測試結果

在1/4磚解決方案電路板上[2]，已證實此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，並與經校準的桌上型數位萬用表(Digital Multimeter, DMM)測量結果一致。經故障注入測試確認，此PSM正確地關閉了故障通道，並在MFR_FAULT_LOG暫存器中準確記錄了相關事件。系統級驗證顯示，整合的數位電源管理沒有引入額外的雜訊或不穩定性，同時受控的軟啟動演算法有效防止了閘極驅動器直通，使輸出波形穩定且雜訊低。I2C介面支援100kHz至400kHz的可程式化頻率範圍，能夠彈性適應不同通訊要求。電壓和溫度讀數與手冊資料高度一致，誤差分別在±0.1%和±0.5%範圍內(圖4)。

綜合這些結果可以看出，LTC2971透過提供高精確度監測、精細控制和詳細診斷數據，有效強化了1/4磚電源解決方案。憑藉PMBus相容性，使其能夠用於最新電信系統，且可降低互通性問題風險。

透過將LTC2971 PSM整合到1/4磚解決方案參考設計中，為直流電源系統帶來多項技術優勢。晶片內16位元遙測輸入支援高精度監測，滿足嚴格的直流精度要求。內建的時序控制和閉迴路調整功能，使系統能夠實現精準的多電源軌啟動和關斷控制，而PMBus介面確保能與現代機架管理基礎設施無縫整合。自動化故障記錄功能可提供類比電路難以獨立實現的進階診斷能力。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、校準和可靠的匯流排操作。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。隨著電信和資料中心應用對自動化、網路管理的電源子系統的需求不斷增加，像PSM這樣的元件可望成為標準建構模組，為下一代電源架帶來穩定監測數位化控制和精準遙測能力。

但需要注意的是，在並聯九個以上電源解決方案的應用場景中，受限於PMBus的定址能力，PSM可能不再具有明顯優勢。在這種情況下，其他具備先進定址能力的ADI PSM IC更為合適。

(本文作者Karl Audison Cabas為ADI資深產品應用開發工程師、Ralph Clarenz Matocinos為ADI產品應用開發工程師，Christian Cruz為ADI資深應用開發工程師)

參考文獻

1. Karl Audison Cabas和Christian Cruz，「促進未來創新：中間匯流排轉換器——第1部分：優勢」，ADI，2025年7月。
2. Karl Audison Cabas和Christian Cruz，「促進未來創新：中間匯流排轉換器——第2部分：性能」，ADI，2025年7月。