Ein neuer Zweikanal-PSM (±60 V) verfügt über integrierte 16-Bit-ADCs für präzise Spannungs-, Strom- und Temperaturmessung, programmierbare Sequenzierung, On-Chip-Servoeinstellungen, Spurverfolgung und autonomes Fehlermanagement. Diese Funktionen gewährleisten robuste Überwachung, optimierte digitale Steuerung und PMBus®-Kompatibilität – Schlüsseleigenschaften für 48-V-Rack-Anwendungen in Rechenzentren.
Dieser Artikel erörtert die Vorteile des PSM und die Herausforderungen bei der Integration in QB-Lösungsreferenzdesigns. Der Fokus liegt dabei auf hochpräziser Überwachung, zuverlässiger Sequenzierung und fortschrittlicher digitaler Steuerung in Stromversorgungssystemen der nächsten Generation.
Einleitung:
Stromversorgungssysteme für Telekommunikation und Datenkommunikation setzen zunehmend auf hocheffiziente 48-V-Zwischenschienen mit Hot-Swap-fähigen DC/DC-Wandlern im Standard-Quarter-Brick-Gehäuse (QB). Neue Industriestandards fordern integrierte PMBus®-Schnittstellen und robuste Schutzschaltungen und verdeutlichen damit den Trend zu digital verwalteten Stromversorgungslösungen für Rack-Server und Netzwerkgeräte.
Der LTC2971 erfüllt diese Anforderungen optimal. Er sequenziert und justiert zwei geregelte Leitungen von -60 V bis +60 V, implementiert programmierbare Fehlerreaktionen und protokolliert kritische Ereignisse im integrierten EEPROM. Seine native PMBus-Schnittstelle ermöglicht die nahtlose Integration in gängige Systemüberwachungsarchitekturen, während seine Funktionen für das digitale Stromversorgungssystemmanagement (DPSM) – Sequenzierung, Margenprüfung, Fehlererkennung und Telemetrie – in komplexen Stromversorgungsplattformen heute als unerlässlich gelten. Internes EEPROM und ein separater Watchdog unterstützen den autonomen Betrieb mit minimalem Eingriff des Hostsystems und verbessern so die Gesamtzuverlässigkeit des Systems.
QB-Lösungen bieten typischerweise einen analogen Tuning-Eingang (VADJ) zur Spannungsanpassung. Der PSM wird direkt an die Pins RUN/ENABLE, VOUT_SNS/FB und die Temperaturmessung angeschlossen. Seine ISENSE-Eingänge messen den Ausgangsstrom präzise über den Gleichstromwiderstand der Induktivität oder einen externen Shunt. Der präzise VDAC-Ausgang ermöglicht die Feinabstimmung der Ausgangsspannung mittels Spannungsteilern. Durch die Integration des Power System Managers (PSM) auf die Stromversorgungsplatine erhalten Entwickler eine zentrale, hochpräzise digitale Telemetrie aller Schienenspannungen, Ströme und Platinentemperaturen über PMBus. Dies bietet eine deutlich höhere Genauigkeit und Flexibilität als herkömmliche analoge Überwachungslösungen, die oft Schwierigkeiten haben, die strengen Leistungsanforderungen von Rechenzentren zu erfüllen.
Quarter Brick-Lösung:
Das 2-kW-Quarter-Brick-Referenzdesign nutzt eine hochzuverlässige Vierphasenarchitektur mit dem neuesten DC/DC-Zwischenbuswandler (IBC) und gekoppelten Induktivitäten von Analog Devices für eine außergewöhnliche Ausgangsleistung. Die integrierte Telemetrie ermöglicht kontinuierliche Spannungsüberwachung, schnelle Fehlererkennung und Echtzeitkonfiguration über I²C/PMBus. Dank des standardisierten Formfaktors lässt sich die Lösung nahtlos in eine Vielzahl von Kundenplattformen integrieren und verbessert so Systemflexibilität, Effizienz und Benutzerfreundlichkeit. Siehe Abbildung 1.
Abbildung 1. Blockdiagramm des QB-Lösungsreferenzdesigns mit dem ADI 48V IBC, MAX17651 und LTC2971.
Wichtigste Erkenntnisse zur Quarter Brick-Lösung und zur Notwendigkeit der Integration
Die Integration des LTC2971 mit Quarter Brick-Konvertern bietet mehrere entscheidende Vorteile.
Präzise Telemetrie:
Das PSM verfügt über hochauflösende Analog-Digital-Wandler (ADCs), die Spannung und Temperatur präzise überwachen. Auf der QB-Platine wurde eine Genauigkeit von ±0,5 % bis 1,0 % bei den Ausgangsspannungs- und Temperaturmessungen erreicht, was ein präzises Energiemanagement ermöglicht. Zuverlässige Spannungs-, Strom- und Temperaturmessungen liefern Ingenieuren detaillierte Kenntnisse über das Verhalten der Lösung unter verschiedenen Bedingungen und erlauben es ihnen, die Leistung sicher bis an die Grenzen auszureizen. Durch die Programmierung von EEPROM-Parametergrenzen und die Feinabstimmung von Warnschwellenwerten basierend auf Telemetriedaten können Ingenieure sicherstellen, dass die Lösung konstant Spitzenleistung erbringt und keine unnötigen Ausfälle verursacht. Siehe Abbildung 2.
Digitale Steuerung und Sequenzierung:
Eine präzise Leistungssequenzierung ist in Rechenzentren unerlässlich, um sicherzustellen, dass die QB-Lösung die Prozessoren sicher, kontrolliert und termingerecht mit Strom versorgt. Das PSM automatisiert Start, Abschaltung und Spannungsreserve mehrerer Lanes vollständig und unterstützt sowohl zeitbasierte als auch laneübergreifende Sequenzierung. Zudem ermöglicht es die Kaskadierung mehrerer QB-Lösungen für skalierbare Designs. Die Parameter DRV_EN/RUN und VOUT_EN des PSM, einschließlich Einschaltverzögerungen, Anstiegszeiten und Sequenzierungsrichtlinien, sind über PMBus-Befehle vollständig programmierbar. Dadurch wird gewährleistet, dass verbundene Lanes stets koordiniert ein- und ausgeschaltet werden. Diese kontrollierte Sequenzierung minimiert Spannungsüberschwingen und -unterschwingen während jedes Einschaltzyklus und verbessert so die Zuverlässigkeit der Rechenzentrumsracks.
Abbildung 2. Telemetrietabelle des LTC2971 für Spannung, Strom und Temperatur.
Fehlermanagement:
Ein wesentlicher Vorteil des PSM ist sein robustes, integriertes Fehlermanagement- und Ereignisprotokollierungssystem. Überspannungen oder Temperaturspitzen können so konfiguriert werden, dass sie eine Sperrabschaltung, einen automatischen Wiederholungsversuch oder eine kontrollierte Leistungsreduzierung auslösen. Wichtig ist, dass das Gerät Status- und Telemetriedaten kontinuierlich im RAM speichert und diese Daten bei Erkennung eines Fehlers automatisch bestätigt und in einem nichtflüchtigen EEPROM speichert. Diese Blackbox-Funktionalität speichert eine vollständige Momentaufnahme von Spannungen, Strömen und Temperaturen zum Zeitpunkt des Fehlers und ermöglicht so eine präzise Ursachenanalyse. Wie im Konzeptdiagramm im Datenblatt des LTC2971 dargestellt, überträgt der Ringpuffer bei Fehlerereignissen automatisch Daten in das EEPROM. Im Gegensatz zu einfachen PMBus-Fehlerprotokollen oder externen Watchdogs zeichnet das PSM den vollständigen Betriebszustand auf, anstatt Fehler lediglich zu kennzeichnen. Diese fortschrittlichen Funktionen erhöhen die Zuverlässigkeit der QB-Lösung, ermöglichen eine detaillierte Lebenszyklusanalyse und verlängern ihre Nutzungsdauer durch kontinuierliche Überwachung und Aufzeichnung. Siehe Abbildung 3.
Abbildung 3. Konfigurationstabelle für die Fehlereinstellung des LTC2971.
PMBus-Integration:
Die Spezifikationen von Rechenzentren erfordern eine robuste Kommunikationsschnittstelle, die mit dem PMBus-Protokoll kompatibel ist. Als PMBus-konformes Gerät erfüllt das PSM die Industriestandards und lässt sich nahtlos in bestehende Systemmanagementplattformen integrieren. Seine Überwachungs- und Statuskontrollfunktionen sind über Standard-PMBus-Befehle vollständig zugänglich, und es unterstützt LTpowerPlay®für eine optimierte Konfiguration. Dadurch können Entwicklungsteams Registereinstellungen wie Spannungsschienen, Grenzwerte und Sequenzierung offline definieren und direkt in den EEPROM programmieren, was die Entwicklungszeit erheblich reduziert. Darüber hinaus ermöglicht der bidirektionale FAULTB-Pin des Geräts ein flexibles Fehlermanagement, indem mehrere Geräte je nach Bedarf Fehlerleitungen gemeinsam nutzen oder isolieren können. Insgesamt bieten die digitalen Steuerungsfunktionen, einschließlich Servo-Tuning und Sequenzierung, einen deutlich effizienteren Weg zur Implementierung eines fortschrittlichen Energiemanagements im Vergleich zu rein analogen Lösungen.
Ergebnisse der Implementierung
: Bezüglich der Leistung des QB-Lösungsboards demonstrierte das PSM eine zuverlässige Überwachung des IBC-Betriebs, der Eingangsspannung und der Leistungsparameter. Die PMBus-Telemetrie blieb stabil und stimmte mit den Messungen eines kalibrierten digitalen Tischmultimeters (DMM) überein. Fehlereinspeisungstests bestätigten, dass das Gerät fehlerhafte Kanäle korrekt blockierte und Ereignisse präzise in den MFR_FAULT_LOG-Registern protokollierte. Die Validierung auf Systemebene zeigte, dass das integrierte digitale Energiemanagement kein zusätzliches Rauschen oder Instabilität verursachte, während der kontrollierte Softstart-Algorithmus ein Durchschalten des Gate-Treibers effektiv verhinderte und so saubere Ausgangssignale lieferte. Die I²C-Schnittstelle ist von 100 kHz bis 400 kHz programmierbar, um verschiedenen Kommunikationsanforderungen gerecht zu werden. Die Spannungs- und Temperaturmesswerte stimmten mit manuellen Daten mit einer Genauigkeit von ±0,1 % bzw. ±0,5 % überein (siehe Abbildung 4).
Zusammenfassend zeigen diese Ergebnisse, dass der LTC2971 die Stromversorgungslösungen für Quarter-Brick-Systeme durch hochpräzise Überwachung, hochgenaue Steuerung und detaillierte Diagnosedaten verbessert. Dank seiner PMBus-Kompatibilität lässt es sich mit minimalen Interoperabilitätsproblemen in moderne Telekommunikationssysteme integrieren. Siehe Abbildung 5.
Abbildung 4. ADI-Referenzdesign für eine 54-V-zu-12-V-Systemanwendung, die an LTpowerPlay angeschlossen ist.
Abbildung 5. Referenzdesign-Hardware der "Quarter Brick"-Lösung von ADI für eine 54-V-zu-12-V-Systemanwendung.
Fazit:
Die Integration des LTC2971 PSM in das QB-Lösungsreferenzdesign bietet erhebliche Vorteile für Gleichstromversorgungssysteme. Seine On-Chip-Telemetrieeingänge mit 16 Bit ermöglichen eine hochpräzise Überwachung, die strenge Anforderungen an die Gleichstromgenauigkeit erfüllt. Integrierte Sequenzierung und Regelung im geschlossenen Regelkreis ermöglichen die präzise Ein- und Ausschaltsteuerung mehrerer Stromleitungen, während die PMBus-Schnittstelle die nahtlose Integration in moderne Rack-Management-Infrastrukturen gewährleistet. Die eigenständige Fehlerprotokollierung bietet erweiterte Diagnosemöglichkeiten, die mit analoger Schaltungstechnik allein nur schwer zu realisieren sind. Diese Funktionen bringen zusätzliche Designüberlegungen mit sich, wie z. B. sorgfältige Konfiguration, Kalibrierung und zuverlässiger Busbetrieb. Die daraus resultierenden Verbesserungen in Zuverlässigkeit, Transparenz und Steuerung überwiegen diese Herausforderungen jedoch in der Regel. Da Telekommunikations- und Rechenzentrumsanwendungen zunehmend automatisierte, netzwerkverwaltete Stromversorgungssysteme fordern, sind Geräte wie der PSM auf dem besten Weg, zu Standardbausteinen zu werden und eine robuste digitale Steuerung sowie präzise Telemetrie für Stromversorgungsplattformen der nächsten Generation zu ermöglichen.
Es ist jedoch zu beachten, dass der PSM bei Lösungen mit mehr als neun parallelen Netzteilen aufgrund der Adressierungsbeschränkungen des PMBus weniger vorteilhaft sein kann. In solchen Fällen sind andere ADI PSM-integrierte Schaltungen mit erweiterten Adressierungsfunktionen besser geeignet.
Referenzen
: 1 Karl Audison Cabas und Christian Cruz. „Enabling Future Innovations: Intermediate Bus Converter — Part 1: Benefits.“ Analog Devices, Inc., Juli 2025.
2 Karl Audison Cabas und Christian Cruz. „Enabling Future Innovations: Intermediate Bus Converter — Part 2: Performance.“ Analog Devices, Inc., Juli 2025.
Über den Autor:
Christian Cruz ist Anwendungsingenieur bei Analog Devices Philippines. Er hat einen Bachelor of Science in Elektrotechnik von der Eastern Manila University, Philippinen. Er verfügt über 14 Jahre Berufserfahrung in den Bereichen Leistungselektronik und Firmware-Entwicklung für die Stromversorgungssteuerung, einschließlich der Entwicklung von Energiemanagementlösungen sowie AC/DC- und DC/DC-Wandlung. Seit 2020 ist er bei ADI tätig und arbeitet derzeit an Energiemanagementlösungen für die Geschäftsbereiche Consumer und Cloud-basierte Infrastruktur sowie an Systemkommunikationsanwendungen.
Karl Audison Cabas ist seit September 2020 als Applikationsingenieur für Leistungselektronik bei Analog Devices tätig. Er besitzt einen Bachelor of Science in Elektrotechnik von der Polytechnic University of the Philippines und einen Master-Abschluss in Leistungselektronik von der Mapua University. Er verfügt über mehr als vier Jahre Erfahrung mit DC/DC-Wandlern. In seiner vorherigen Position bearbeitete er Kundenanfragen und löste Designprobleme im Zusammenhang mit DC/DC-Wandlern. Aktuell arbeitet er als Applikationsingenieur für Stromversorgungssysteme im Bereich Cloud- und Rechenzentrumsanwendungen.
Ralph Clarenz Matociños besitzt einen Bachelor of Science in Elektrotechnik von der Manila City University (PLM) in Manila, Philippinen. Er verfügt über mehr als ein Jahr Berufserfahrung im Bereich Leistungselektronik, insbesondere in der Entwicklung von Batteriemanagementsystemen und DC/DC-Wandlern. Seit 2022 ist er bei Analog Devices tätig und arbeitet dort als Anwendungsingenieur für Stromversorgungssysteme im Bereich Cloud- und Rechenzentrumsanwendungen.
