多相轉(zhuǎn)換電源效率的POL IC 設(shè)計

　　更高的能源效率已成為計算機服務(wù)器和高性能網(wǎng)絡(luò)設(shè)備的關(guān)鍵要求。冷卻這些系統(tǒng)的成本現(xiàn)在是它們的生命周期成本以及它們自身的能源使用的主要因素。此類系統(tǒng)依賴于先進的微處理器，在高性能計算應(yīng)用程序中，還依賴于每秒能夠進行數(shù)十億次浮點運算的通用圖形處理單元 （GPGPU）。這些處理器通常密集封裝以最大限度地提高空間效率，并且每個處理器在以峰值速度運行時可能具有超過 100 W 的功率需求。因此，在苛刻的條件下，功率轉(zhuǎn)換的熱效率至關(guān)重要。

　　為了最大限度地減少跨服務(wù)器或交換機背板的配電損耗，這些系統(tǒng)通常設(shè)計為使用至少 12 V 的相對較高的中間電壓。然后使用負(fù)載點 （POL） 轉(zhuǎn)換器來提供低電壓– 通常約為 1 V – 這些設(shè)備所需的電壓。這通常導(dǎo)致需要高峰值電流值來處理處理器將在接近其熱包絡(luò)線的情況下運行的短暫時間。

　　傳統(tǒng)上，POL 轉(zhuǎn)換器的設(shè)計是為了在高負(fù)載下實現(xiàn)最高效率，因為這是過熱可能最具破壞性的地方。目前使用的大多數(shù) POL 轉(zhuǎn)換器在滿載時保證超過 90% 的效率。在密集的服務(wù)器中，這種效率至關(guān)重要，因為它確保標(biāo)準(zhǔn)空氣冷卻能夠足夠快地散熱，以防止系統(tǒng)過熱和處理器過熱關(guān)閉的風(fēng)險。在現(xiàn)代基于互聯(lián)網(wǎng)的環(huán)境中，由于處理器突然關(guān)閉而丟失交易和請求會迅速損害收入和聲譽。

　　然而，由于系統(tǒng)很少有超過一小部分的處理器以滿負(fù)荷運行，因此在需要強制空氣冷卻時可能會損失大量能量。由于傳統(tǒng) POL 轉(zhuǎn)換器的效率會隨著負(fù)載的減少而下降，因此更大比例的冷卻需要用于供電基礎(chǔ)設(shè)施，而不是處理器本身。如果可以使 POL 轉(zhuǎn)換器更高效，則可以縮減對強制空氣冷卻的需求，從而不僅可以節(jié)省服務(wù)器本身的費用，還可以節(jié)省周圍的空調(diào)費用。

　　功率轉(zhuǎn)換技術(shù)取得了進步，主要集中在每個 POL 轉(zhuǎn)換器占用的電路板面積問題上。一種趨勢是提高開關(guān)頻率以降低峰值電流需求，這有助于將電容器等無源元件的尺寸保持在最低限度。但是，可以將開關(guān)頻率推到多高是有限制的，尤其是在頻率影響更大的大電流系統(tǒng)中。通常，在轉(zhuǎn)換期間，控制開關(guān)的開關(guān)損耗與輸出電流乘以所提供的能量和開關(guān)周期本身成正比。

　　越來越多的 POL IC 設(shè)計人員追求的解決方案是讓一個輸入由多個轉(zhuǎn)換器處理。轉(zhuǎn)換器彼此同步運行，但使用不同的相位。多相轉(zhuǎn)換器中的振蕩器是同步的，因此每個相位都以相同的頻率 （f） 驅(qū)動，但相位偏移 360°/N，其中 N 是整個轉(zhuǎn)換器中的相數(shù)。每個單獨降壓相位的輸出與其他相位并聯(lián)，使得紋波頻率為 Nf 而不是 f。

　　圖 1：三相情況下的通道輸入電流和輸入電容器電流。

　　多相的使用意味著核心轉(zhuǎn)換拓?fù)湓诓豢s短開關(guān)周期的情況下保持了高頻操作的優(yōu)勢，并且具有降低過紋波電流的好處，因為電流脈沖之間的間隙比單相的短得多。轉(zhuǎn)換拓?fù)洹＿@也改善了電磁干擾 （EMI） 特征，因為轉(zhuǎn)換器內(nèi)的電流變化率低于傳統(tǒng)方法。

　　對于多相或多相轉(zhuǎn)換器，有效工作頻率實際上是基本開關(guān)頻率乘以相數(shù)。結(jié)果，瞬態(tài)響應(yīng)得到改善，這對于高級處理器來說很重要，因為功率需求可以在很少的時鐘周期內(nèi)發(fā)生變化。

　　多相降壓轉(zhuǎn)換器拓?fù)渚哂懈喾庋b優(yōu)勢。每個通道都以可比單相降壓轉(zhuǎn)換器的一小部分轉(zhuǎn)換功率，從而減小了設(shè)計中使用的電感器和功率 MOSFET 的尺寸。較小的功率 MOSFET 可降低動態(tài)損耗，因為它們具有較小的寄生電容。同樣，由于紋波電流減小，電容器的損耗也更低。

　　圖 2：一系列不同多相選項的紋波電流與占空比的關(guān)系。

　　在峰值需求時，轉(zhuǎn)換器中的所有相位都處于活動狀態(tài)。然而，隨著處理器速度變慢并且其功率需求下降，轉(zhuǎn)換器可以關(guān)閉一個或多個相位，從整體能量需求中消除該相位的開關(guān)損耗。結(jié)果是一個 POL 轉(zhuǎn)換器對負(fù)載的需求做出動態(tài)反應(yīng)。相位控制可以分配給本地微處理器或使用 PMBus 信號的板級電源控制器。PMBus 命令可讓中央電源管理器打開或關(guān)閉相位。

　　多相轉(zhuǎn)換器通過集成 PWM（脈寬調(diào)制）電流模式控制器、遠(yuǎn)程感應(yīng)、可選相位控制、固有電流共享能力、大電流 MOSFET 驅(qū)動器以及過壓和過流保護，幫助最大限度地減少外部組件數(shù)量并簡化整個電源設(shè)計特征。在更高的功率水平下，可擴展的多相控制器減小了電容器和電感器的尺寸和成本。

　　為了在定制設(shè)計中提供對多相轉(zhuǎn)換的控制，Intersil 的 ISL6364A具有專為低壓處理器和 GPU 設(shè)計的雙 PWM 輸出。它有一個四相PWM來控制微處理器內(nèi)核或存儲器電壓調(diào)節(jié)器。它的第二個 PWM 控制器是單相設(shè)計，用于控制 I/O 的外圍電壓調(diào)節(jié)器。該器件使用 Intersil 專有的增強型主動脈沖定位 （EAPP） 調(diào)制方案，以比標(biāo)準(zhǔn)設(shè)計更少的輸出電容器實現(xiàn)快速瞬態(tài)響應(yīng)。

　　ISL6364A 的設(shè)計符合英特爾為 VR12/IMVP7 級穩(wěn)壓器提供的規(guī)范。這些穩(wěn)壓器支持 POL 轉(zhuǎn)換器和處理器之間的密切合作。反過來，如果處理器看到電流下降到某個點以下，則可以通過 SVID 總線向控制器發(fā)送低功耗模式信號。然后控制器可以使用單相或兩相操作進入低功耗模式。在超低功耗模式下，它可以通過二極管仿真選項以單相運行。在 PSI 低功率信號被取消斷言后，丟棄的相位被添加回來以支持更重的負(fù)載。ISL6364A 還支持自動切相以優(yōu)化效率，而無需處理器參與。

　　在非常低的負(fù)載水平下，即使是單相也會失去效率。DC/DC 控制器供應(yīng)商已經(jīng)實施了脈沖跳躍或突發(fā)模式等技術(shù)。在突發(fā)模式下，開關(guān)電路僅在輸出電壓開始超出調(diào)節(jié)范圍時激活。

　　在諸如LTC3856的器件中來自凌力爾特的睡眠信號在平均電感電流高于負(fù)載電流時被激活。在睡眠模式下，負(fù)載電流由輸出電容提供。當(dāng)輸出電壓下降得足夠多時，休眠信號被禁用，轉(zhuǎn)換器在下一個周期激活以供電，直到休眠信號被重新置位。脈沖跳躍模式通過在檢測到輕負(fù)載條件時一次不切換幾個周期來提供較低的紋波，盡管與突發(fā)模式相比整體效率降低。這種架構(gòu)為設(shè)計人員提供了一種節(jié)能方法的選擇，以最適合在效率和其他因素（例如輸出紋波）之間進行權(quán)衡。

　　在更高的負(fù)載水平下，LT3856 執(zhí)行自動切相和重新激活。當(dāng)板載反饋誤差放大器的輸出電壓達到用戶可編程電壓時，觸發(fā)級脫落操作。在此編程電壓下，控制器關(guān)閉其一個或多個相位，并阻止功率 MOSFET 開啟和關(guān)閉。這種在階段脫落發(fā)生時進行編程的能力提供了確定何時進入這種操作模式的靈活性。

　　對于需要對系統(tǒng)中運行的相數(shù)進行高度控制的設(shè)計，德州儀器 （ Texas Instruments ） 提供了TPS40140，一種多功能控制器，可以作為單個控制器運行，也可以在多控制器配置中“堆疊”。TPS40140 有兩個通道，可配置為單輸出的多相或具有兩個獨立輸出電壓的雙輸出。但是，單個控制器的兩個通道總是異相 180 度切換。

　　在多設(shè)備系統(tǒng)中，通常希望同步每個設(shè)備的時鐘以最小化輸入紋波電流以及輻射和傳導(dǎo)發(fā)射。這是通過將其中一個控制器指定為主控制器而將其他控制器指定為從控制器來實現(xiàn)的。要創(chuàng)建一個 12 相系統(tǒng)，設(shè)計人員需要添加五個從設(shè)備，使用 PHSEL 和 CLKIO 線互連，然后設(shè)置它們響應(yīng)主時鐘信號的方式。

　　從機通過在主機的 PHSEL 輸出上使用串聯(lián)的 39 kΩ 電阻器從主機 CLKIO 信號中檢測正確的時鐘信號。根據(jù)主設(shè)備的設(shè)置方式，CLKIO 信號為開關(guān)周期的每個周期生成 6 個或 8 個時鐘。為了進一步將總電流容量增加到十二相，或增加輸出數(shù)量，使用了五個從控制器，并在 PHSEL 線上設(shè)置了兩個電阻器。為了實現(xiàn) 12 相操作，三個從控制器上的 ILIM2 引腳連接到高電平，以便它們在其相應(yīng) CLKIO 信號的下降沿而不是默認(rèn)上升沿觸發(fā)。

　　圖 3：使用六個 TPS40140 器件的十二相配置。

　　隨著能源效率繼續(xù)成為服務(wù)器設(shè)計人員關(guān)注的一個領(lǐng)域，多相 POL 策略可能會變得更加普遍，我們將看到電路對負(fù)載要求的快速變化和低負(fù)載條件的反應(yīng)方式的進一步改進.