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)也增加了功耗要求。確保服務(wù)器滿足市場(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。這使得工程師能夠配置電源以獲得最佳性能。

服務(wù)器應(yīng)用程序在瞬態(tài)響應(yīng)要求方面的要求尤其嚴(yán)格。為了滿足這些要求，設(shè)計(jì)人員可以實(shí)現(xiàn)負(fù)載線控制，有時(shí)也稱為有源電壓定位(AVP)。

了解直流負(fù)載線設(shè)計(jì)

負(fù)載線 (LL) 控制是指對(duì)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)節(jié)。換句話說，V OUT對(duì)于所有負(fù)載值不再恒定，而是根據(jù)功率需求而變化。調(diào)整后的輸出電壓可使用公式 1 計(jì)算：

V輸出= V輸出(標(biāo)稱值) – I輸出× R LL (1)

其中，V OUT(NOM)是電源無負(fù)載時(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(以 Ω 為單位)。

圖 1顯示了與固定所有負(fù)載的V OUT的傳統(tǒng)方法(用綠線表示)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)(用藍(lán)線表示)，導(dǎo)致 V OUT隨著電流的增加而下降。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)。

圖 1該圖顯示了使用直流負(fù)載線的V OUT與固定 V OUT方法的比較。

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，從而減少功耗和耗散損耗。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)是它如何提高服務(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)載瞬變。這是因?yàn)榉?wù)器應(yīng)用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)載的電源要求根據(jù)它們正在執(zhí)行的任務(wù)而變化。例如，服務(wù)器電源提供遠(yuǎn)高于 100 A 的電流的情況并不少見。

圖 2顯示了實(shí)施負(fù)載線之前和之后的電源。由于電流階躍，沒有負(fù)載線的電源(用紫色線表示)在負(fù)載瞬變期間會(huì)經(jīng)歷較大的過沖和下沖。如果這些峰值超過最大或最小電壓限制，可能會(huì)導(dǎo)致負(fù)載損壞并停止運(yùn)行。通過使用負(fù)載線(用藍(lán)線表示)逐漸調(diào)整 V OUT ，可以消除這些峰值并改善瞬態(tài)響應(yīng)。

圖 2實(shí)施負(fù)載線之前和之后的電源比較突出顯示了對(duì)瞬態(tài)響應(yīng)的影響。

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的不同，這些值可能需要調(diào)整。否則，在高功率運(yùn)行時(shí)，負(fù)載線可能會(huì)將電壓推至最低要求以下(圖 3)。

圖 3這是由次優(yōu)負(fù)載線配置引起的錯(cuò)誤的視圖。

通過直流負(fù)載線減少輸出電容

為了演示負(fù)載線控制的優(yōu)勢(shì)，使用電源軌的典型處理器規(guī)格創(chuàng)建了一個(gè)通用示例。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。表 1顯示了規(guī)格。

表 1電源軌規(guī)格。

表 2顯示了輸出電容 (C OUT )、開關(guān)頻率 (f SW ) 和相數(shù) (N PHASE )等測(cè)試條件。

表2測(cè)試參數(shù)。資料來源：Monolithic Power Systems (MPS)

使用雙環(huán)路數(shù)字多相控制器MP2965來實(shí)現(xiàn)此示例，因?yàn)樗С重?fù)載線配置，并且可配置為最多 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(圖 4)

圖 4以下是基于控制器的負(fù)載線內(nèi)部結(jié)構(gòu)。

首先，設(shè)計(jì)人員必須通過觀察轉(zhuǎn)換器不使用負(fù)載線時(shí)的電壓調(diào)節(jié)來確定負(fù)載線的影響。將 160A 電流階躍應(yīng)用于 MP2965 多相控制器以模擬 CPU 負(fù)載。圖 5顯示了沒有直流負(fù)載線時(shí)轉(zhuǎn)換器的響應(yīng)。請(qǐng)注意電流瞬變期間出現(xiàn)的大 V OUT尖峰。這意味著電壓變化為 205 mV，剛好在表 1 所示的規(guī)格范圍內(nèi)。

圖 5轉(zhuǎn)換器對(duì)電流階躍的響應(yīng)沒有直流負(fù)載線。

使用公式 1，設(shè)計(jì)了 0.67 mΩ 的負(fù)載線，以滿足通過公式 2 估算的最小 V OUT規(guī)格。

V OUT = V ID – I OUT × R LL → R LL = V OUT(標(biāo)稱值) – V OUT(最小值) /I OUT(最大值) = 108 mV/160 A = 0.675 mΩ (2)

圖 6顯示了實(shí)施直流負(fù)載線后產(chǎn)生的瞬態(tài)響應(yīng)。

圖 6轉(zhuǎn)換器對(duì)電流階躍的響應(yīng)采用直流負(fù)載線。

通過實(shí)施直流負(fù)載線，V OUT很好地保持在表 1 中指定的電壓范圍內(nèi)，電壓裕度約為允許范圍的 50%。電壓裕度的增加還意味著可以放寬某些設(shè)計(jì)限制，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 中所示的電壓響應(yīng)涉及 4.7 mF 的總輸出電容，由靠近 CPU 負(fù)載放置的 60 個(gè) 22 μF MLCC 電容器以及一些鋁電解電容器組成。

MLCC 電容器濾除電流瞬態(tài)響應(yīng)的高頻分量，而鋁電解電容器則濾除低頻分量。這些鋁電容器稱為大容量電容器，經(jīng)過專門設(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，使用較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，因此大容量電容對(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，可以去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。圖 7顯示了將大容量電容減少 50%(從 6 x 470 μF 減少到 3 x 470 μF)后的結(jié)果。

圖 7轉(zhuǎn)換器對(duì)電流階躍的響應(yīng)采用直流負(fù)載線和較少的大容量電容器。

為了增加正負(fù)尖峰的電壓裕度，在 V OUT上添加了 40mV 直流偏移。這使得 V OUT接近規(guī)格定義的電壓范圍的中心。

盡管大容量電容器較少，但電源的瞬態(tài)響應(yīng)沒有明顯變化。然而，這仍然具有降低成本和電路板空間的優(yōu)點(diǎn)。

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。通過實(shí)施直流負(fù)載線并將 V OUT在最大電流下降低至 1.725，圖 7 中的負(fù)載功率為 276 W，這表示凈功率節(jié)省 12 W。

負(fù)載線控制的優(yōu)點(diǎn)

服務(wù)器和計(jì)算應(yīng)用需要電源能夠處理大的、突然的電流變化，同時(shí)滿足嚴(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)載線控制的優(yōu)勢(shì)，例如提高效率和改進(jìn)電源瞬態(tài)響應(yīng)性能。本文還解釋了如何實(shí)施直流負(fù)載線來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)仍然滿足服務(wù)器應(yīng)用的規(guī)范。