在服務(wù)器電源中實(shí)現(xiàn)多相降壓轉(zhuǎn)換器的負(fù)載線控制

隨著 5G 網(wǎng)絡(luò)、云計(jì)算、物聯(lián)網(wǎng) (IoT) 和虛擬化的普及，IT 基礎(chǔ)設(shè)施正在推動(dòng)對(duì)高性能計(jì)算服務(wù)器的需求。

每一代新的服務(wù)器都需要更高的計(jì)算能力和效率，同時(shí)也增加了對(duì)功率的要求。確保服務(wù)器滿(mǎn)足市場(chǎng)需求的關(guān)鍵方面之一是了解微處理器的電源對(duì)整個(gè)服務(wù)器的動(dòng)態(tài)響應(yīng)和效率的影響。這使工程師能夠配置電源以獲得最佳性能。

當(dāng)涉及到瞬態(tài)響應(yīng)要求時(shí)，服務(wù)器應(yīng)用程序的要求特別高。為了滿(mǎn)足這些要求，設(shè)計(jì)人員可以實(shí)施負(fù)載線控制，有時(shí)也稱(chēng)為有源電壓定位 (AVP)。

了解直流負(fù)載線設(shè)計(jì)

負(fù)載線 (LL) 控制是指電壓控制環(huán)路的修改，其中降壓轉(zhuǎn)換器的輸出電壓 (V OUT ) 可根據(jù)負(fù)載電流進(jìn)行調(diào)整。換言之，V OUT對(duì)于所有負(fù)載值不再是恒定的，而是根據(jù)功率需求而變化?？梢允褂霉?1 計(jì)算調(diào)整后的輸出電壓：

V OUT = V OUT(NOM) – I OUT × R LL (1)

其中，V OUT(NOM)是無(wú)負(fù)載連接到電源時(shí)的最大 V OUT ，I OUT是負(fù)載電流，R LL是等效負(fù)載線阻抗(Ω)。

顯示了與固定所有負(fù)載的VOUT的傳統(tǒng)方法相比，實(shí)施負(fù)載線調(diào)節(jié)如何降低直流負(fù)載調(diào)節(jié)，導(dǎo)致 V線)。請(qǐng)注意，負(fù)載線產(chǎn)生的電壓斜率仍必須設(shè)計(jì)為滿(mǎn)足為微處理器供電的 V OUT要求。這意味著對(duì)于整個(gè)輸出電流范圍，V OUT必須落在指定的電壓限制(V MAX和 V MIN )內(nèi)。

實(shí)施負(fù)載線調(diào)節(jié)的主要原因是在負(fù)載電流很大時(shí)降低電壓，從而降低功耗和耗散損耗。雖然這是一個(gè)經(jīng)常討論的好處，但實(shí)施負(fù)載線控制的另一個(gè)優(yōu)點(diǎn)是它如何改進(jìn)服務(wù)器的動(dòng)態(tài)響應(yīng)。

服務(wù)器應(yīng)用中的電源通常必須支持大負(fù)載瞬態(tài)。這是因?yàn)榉?wù)器應(yīng)用程序中的電源必須為存儲(chǔ)設(shè)備和 CPU 等負(fù)載供電，這些負(fù)載的電源需求根據(jù)它們正在執(zhí)行的任務(wù)而有所不同。例如，服務(wù)器電源提供遠(yuǎn)高于 100 A 的電流步數(shù)的情況并不少見(jiàn)。

顯示了實(shí)施負(fù)載線之前和之后的電源。由于電流階躍，沒(méi)有負(fù)載線的電源在負(fù)載瞬態(tài)期間會(huì)出現(xiàn)較大的過(guò)沖和下沖。如果這些峰值超過(guò)最大或最小電壓限制，則可能導(dǎo)致負(fù)載損壞并停止運(yùn)行。通過(guò)使用負(fù)載線逐漸調(diào)整 V OUT ，可以消除這些峰值并改善瞬態(tài)響應(yīng)。

雖然負(fù)載線提高了服務(wù)器性能和效率，但負(fù)載線配置必須非常準(zhǔn)確，因?yàn)檗D(zhuǎn)換器必須始終在設(shè)定的電壓限制內(nèi)運(yùn)行。大多數(shù)通信標(biāo)準(zhǔn)都指定了理想的負(fù)載線值，但由于電路板材料和布局不同，這些值可能需要調(diào)整。否則，負(fù)載線可能會(huì)在以高功率運(yùn)行時(shí)將電壓推至低于最低要求。

使用直流負(fù)載線降低輸出電容

為了演示負(fù)載線控制的好處，我們創(chuàng)建了一個(gè)通用示例，其中包含電源軌的典型處理器規(guī)格。輸入電壓 (V IN ) 設(shè)置為 12 V，輸出電流 (I TDC ) 為 220 A，輸出電壓 (V OUT ) 為 1.8 V——所有這些都是服務(wù)器應(yīng)用中電壓軌的通用值。

使用雙回路、數(shù)字、多相控制器MP2965來(lái)實(shí)現(xiàn)此示例，因?yàn)樗С重?fù)載線配置并且可以配置為最多 7 相操作。PMBus 可配置負(fù)載線需要在 VDIFF 和 VFB 引腳之間連接一個(gè)下垂電阻器 (R DROOP )，以及內(nèi)部寄存器配置。

首先，設(shè)計(jì)人員必須通過(guò)觀察轉(zhuǎn)換器不使用負(fù)載線時(shí)的電壓調(diào)節(jié)來(lái)確定負(fù)載線的影響。對(duì) MP2965 多相控制器施加 160-A 電流階躍以模擬 CPU 負(fù)載。顯示了轉(zhuǎn)換器在沒(méi)有直流負(fù)載線的情況下的響應(yīng)。注意電流瞬變期間出現(xiàn)的大 V OUT尖峰。這意味著存在 205 mV 的電壓變化，這幾乎不在表 1 中所示的規(guī)格范圍內(nèi)。

使用公式 1，0.67 mΩ 的負(fù)載線被設(shè)計(jì)為滿(mǎn)足最小 V OUT規(guī)范，由公式 2 估算。

V OUT = V ID – I OUT × R LL → R LL = V OUT(NOM) – V OUT(MIN) /I OUT(MAX) = 108 mV/160 A = 0.675 mΩ (2)

通過(guò)實(shí)施直流負(fù)載線，V OUT可以很好地保持在表 1 中指定的電壓范圍內(nèi)，電壓裕量約為允許范圍的 50%。這種增加的電壓裕度還意味著可以放寬某些設(shè)計(jì)約束，例如輸出電容，這是用于降低輸出電壓峰值的關(guān)鍵要素之一。如表 2 所示，圖 5 和圖 6 所示的電壓響應(yīng)指的是 4.7 mF 的總輸出電容，由 60 個(gè)靠近 CPU 負(fù)載的 22-μF MLCC 電容器以及一些鋁電解電容器組成。

MLCC 電容濾除電流瞬態(tài)響應(yīng)的高頻分量，而鋁電解電容濾除低頻分量。這些稱(chēng)為大容量電容器的鋁電容器經(jīng)過(guò)專(zhuān)門(mén)設(shè)計(jì)，具有非常低的等效串聯(lián)電阻 (ESR)，這意味著它們通常是電路中最昂貴的電容器。因此，使用更少的大容量電容器可以降低總體成本和 BOM。

由于實(shí)施直流負(fù)載線已經(jīng)降低了瞬態(tài)峰值，大容量電容對(duì)于瞬態(tài)響應(yīng)變得不那么重要，并且大容量電容器的 ESR 要求也降低了。因此，可以移除一些大容量電容器，而不會(huì)對(duì)電路的瞬態(tài)響應(yīng)產(chǎn)生顯著影響。顯示了將體電容降低 50%(從 6 x 470 μF 到 3 x 470 μF)后的結(jié)果。

為了增加正負(fù)尖峰的電壓裕度，在 V OUT中添加了 40mV 直流偏移。這將 V OUT置于規(guī)范定義的電壓范圍的中心附近。

盡管大容量電容器較少，但電源的瞬態(tài)響應(yīng)沒(méi)有明顯變化。然而，這仍然提供了降低成本和電路板空間的優(yōu)勢(shì)。

負(fù)載線的另一個(gè)好處是降低了 CPU 功耗。當(dāng) V OUT在 160 A 時(shí)設(shè)置為 1.8 V 時(shí)，負(fù)載功率為 288 W。通過(guò)實(shí)施直流負(fù)載線并在最大電流下將 V OUT降低到 1.725，圖 7 中的負(fù)載功率為 276 W，表示凈功率節(jié)省 12 W。

負(fù)載線控制的好處

服務(wù)器和計(jì)算應(yīng)用要求電源能夠處理電流的大而突然的變化，同時(shí)滿(mǎn)足嚴(yán)格的 V OUT調(diào)節(jié)要求。

本文使用數(shù)字控制器實(shí)現(xiàn) PMBus 可配置負(fù)載線，展示了負(fù)載線控制的好處，例如提高效率和改善電源瞬態(tài)響應(yīng)性能。該文章還解釋了實(shí)施直流負(fù)載線如何降低所需的最小大容量電容，從而使設(shè)計(jì)人員能夠降低總體成本并最大限度地減少電路板空間，同時(shí)仍然滿(mǎn)足服務(wù)器應(yīng)用的規(guī)范。