利用即時(shí)微控制器因應(yīng)伺服器電源供應(yīng)設(shè)計(jì)趨勢(shì)

隨著全球伺服器及資料中心用量持續(xù)成長(zhǎng)，滿足穩(wěn)定高效的電源供應(yīng)需求，已成為支援耗電量上升的必要條件。用電量快速增加的原因在于，目前需要越來(lái)越多的整合式中央處理器、圖形處理器及加速器，以提升伺服器和資料中心的計(jì)算速度。提升應(yīng)用效益的做法推動(dòng)了電源單位(PSU) 演進(jìn)發(fā)展，提供高功率效率、快速暫態(tài)響應(yīng)、高功率密度及更大的電源容量。
高功率效率
具備高功率效率的伺服器PSU 可減少浪費(fèi)電源，讓更多電力由來(lái)源傳輸至負(fù)載，進(jìn)而降低資料中心的營(yíng)運(yùn)成本，以及對(duì)環(huán)境造成的沖擊。這項(xiàng)功能可協(xié)助資料中心符合80 Plus等日漸嚴(yán)格的效率標(biāo)準(zhǔn)、在寬廣的負(fù)載范圍實(shí)現(xiàn)高于平均的鈦級(jí)效率，并減少排放二氧化碳至環(huán)境中。
快速瞬態(tài)回應(yīng)
 在伺服器電源應(yīng)用中，快速瞬態(tài)回應(yīng)可協(xié)助系統(tǒng)穩(wěn)定可靠地運(yùn)作，以因應(yīng)持續(xù)變化的負(fù)載及輸入瞬態(tài)。此外，系統(tǒng)也需要符合伺服器電源原始設(shè)備制造商日益嚴(yán)格的瞬態(tài)回應(yīng)規(guī)格：在2.5 至5 A/μS 達(dá)到80% 至100% 的負(fù)載跳變。以上參數(shù)的圖解請(qǐng)參閱圖1。

圖1 ：瞬態(tài)回應(yīng)參數(shù)
更高的功率密度及更大的電源容量
 
伺服器及資料中心的耗電量持續(xù)成長(zhǎng)，因此需要更大的電源容量。氮化鎵(GaN) 等電源技術(shù)可在更小空間內(nèi)實(shí)現(xiàn)更大的電源容量，借此實(shí)現(xiàn)更精巧的電源供應(yīng)裝置。以即時(shí)微控制器(MCU) 控制高切換頻率，是這類系統(tǒng)達(dá)到高功率密度的關(guān)鍵所在，并可減少整體系統(tǒng)的材料清單。
解決伺服器PSU的設(shè)計(jì)挑戰(zhàn)
 
為了實(shí)現(xiàn)前述效益，伺服器PSU 制造商面臨多項(xiàng)設(shè)計(jì)挑戰(zhàn)，例如：
 
?實(shí)作圖騰柱無(wú)橋式功率因數(shù)修正等復(fù)雜的功率拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，以及各種控制演算法，例如零電壓切換、零電流切換、同步整流時(shí)序，以及由混合遲滯控制進(jìn)行的電感器-電感器-電容器全橋式DC/DC 轉(zhuǎn)換。
?實(shí)現(xiàn)即時(shí)控制效能，以加速控制環(huán)路執(zhí)行。
?于采用GaN 及碳化矽(SiC) 等寬頻隙電源裝置時(shí)減少功率損耗，同時(shí)維持更高的切換頻率。
為因應(yīng)伺服器PSU 系統(tǒng)日漸增加的功率效率及功率密度要求，即時(shí)MCU 需要具備多項(xiàng)關(guān)鍵功能，例如低延遲訊號(hào)鏈、高脈沖寬度調(diào)變(PWM) 彈性及解析度、高控制環(huán)路速度，以及高切換頻率。圖2 為PSU 原理圖范例。

圖2 ：伺服器電源供應(yīng)搭配AC/DC及DC/DC級(jí)的典型雙控制器架構(gòu)
TMS320F280039C C2000 TM即時(shí)MCU 可提供以上所有特性，同時(shí)協(xié)助滿足或減少伺服器PSU 設(shè)計(jì)預(yù)算，并持續(xù)透過(guò)各種彈性創(chuàng)新的功能，強(qiáng)化整合式即時(shí)訊號(hào)鏈(感測(cè)、處理及控制)。圖3 為F28003x 系列。

圖3 ：F28003x MCU擴(kuò)展C2000即時(shí)MCU產(chǎn)品組合
高度準(zhǔn)確的感測(cè)能力
 
F280039C MCU 能夠以本身的整合式類比零組件，在伺服器PSU 實(shí)現(xiàn)高功率效率及快速的瞬態(tài)回應(yīng)時(shí)間，包括多個(gè)4-MSPS 類比數(shù)位轉(zhuǎn)換器，具備靈活的啟動(dòng)轉(zhuǎn)換管理功能，以及11 個(gè)有效位元數(shù)及后處理區(qū)塊。該MCU也整合快速的類比比較器及最佳化電源控制功能，例如遮蔽、延遲跳脫、尖峰電流模式控制及斜率補(bǔ)償，以提供精準(zhǔn)的功率轉(zhuǎn)換。
高效能處理
 
F280039C以32 位元數(shù)位訊號(hào)處理器架構(gòu)結(jié)合控制律加速器，提供240 MIPS 以上的即時(shí)效能，并具備浮點(diǎn)單元及三角數(shù)學(xué)單元等功能，可實(shí)現(xiàn)更高的功率密度及高瞬態(tài)回應(yīng)，適合處理時(shí)間緊迫的復(fù)雜計(jì)算作業(yè)。
靈活的高解析度控制
 
即使在高頻率的情況下，也能實(shí)現(xiàn)更大的電源容量，并在各個(gè)相位之間維持同步，是高瓦特伺服器PSU 系統(tǒng)的必要條件。F280039C 提供150-ps 解析度PWM 通道，具備谷值開關(guān)、延遲跳脫、死區(qū)時(shí)間調(diào)整及全域重新載入等功能，可精準(zhǔn)控制復(fù)雜的功率拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)及控制演算法。整合式的可配置邏輯元件區(qū)塊則進(jìn)一步強(qiáng)化PWM 彈性，并與GaN 技術(shù)無(wú)縫整合連接，實(shí)現(xiàn)高功率密度。
C2000即時(shí)MCU在伺服器PSU系統(tǒng)的其他效益
 
除了電源管理及快速即時(shí)控制的各項(xiàng)趨勢(shì)，伺服器PSU 也出現(xiàn)幾項(xiàng)日漸風(fēng)行的其他需求，可由F280039C MCU 加以實(shí)現(xiàn)：
 
?藉由即時(shí)韌體更新無(wú)縫切換為全新韌體，不中斷電源供應(yīng)，同時(shí)透過(guò)多庫(kù)變異搭配多種快閃記憶體選項(xiàng)，以及更快速的快閃記憶體庫(kù)清除時(shí)間，將軟體負(fù)擔(dān)降到最低。
?通訊介面由PMBus 改為控制器區(qū)域網(wǎng)路(CAN) 匯流排(也可能改為CAN-FD)，以實(shí)現(xiàn)更快的速度、高資料傳輸速率及可靠的主機(jī)通訊。
?透過(guò)加密功能實(shí)現(xiàn)安全性(例如進(jìn)階加密標(biāo)準(zhǔn)、安全啟動(dòng)及安全聯(lián)合測(cè)試工作群組) 以因應(yīng)業(yè)界疑慮，在連結(jié)日趨緊密的世界中保護(hù)程式碼及資料，避免受到外部攻擊。
結(jié)論
 
F280039C MCU 于C2000 MCU 平臺(tái)擴(kuò)展規(guī)模，提供各種整合式功能，協(xié)助您實(shí)現(xiàn)進(jìn)階的即時(shí)控制，同時(shí)降低材料清單成本。F28003x MCU 系列可補(bǔ)足對(duì)GAN 及SiC 等寬頻隙技術(shù)的需求，協(xié)助這類技術(shù)釋放完整潛能，實(shí)現(xiàn)更高的功率效率及功率密度，以及更快速的回應(yīng)時(shí)間。簡(jiǎn)單易用的軟體則可協(xié)助伺服器PSU 設(shè)計(jì)人員加速開發(fā)作業(yè)。