如何為存儲(chǔ)應(yīng)用選擇 DCDC 轉(zhuǎn)換器

1、前言

在全球云計(jì)算發(fā)展和數(shù)據(jù)中心持續(xù)建設(shè)的推動(dòng)下，全球存儲(chǔ)設(shè)備出貨量呈爆發(fā)式增長(zhǎng)。作為存儲(chǔ)設(shè)備的關(guān)鍵部件，為存儲(chǔ)設(shè)備（固態(tài)硬盤[SSD]和內(nèi)存）供電的DC/DC轉(zhuǎn)換器的需求也呈現(xiàn)出較快的增長(zhǎng)趨勢(shì)。

圖 1 顯示了企業(yè)固態(tài)驅(qū)動(dòng)器 (SSD) 的簡(jiǎn)化電源架構(gòu)。第一級(jí)是保護(hù)和后備電路；此應(yīng)用的輸入電壓通常為 12 V。第二級(jí)需要 DC/DC 轉(zhuǎn)換器以獲得更高的電流 (>6 A)。在第三階段，在軌中添加了低壓差穩(wěn)壓器，對(duì)電壓波動(dòng)非常敏感。

圖 1：企業(yè) SSD 的簡(jiǎn)化電源架構(gòu)

在這種SSD中，DC/DC轉(zhuǎn)換器需要滿足幾個(gè)要求：輸出電壓波動(dòng)小、效率高和解決方案尺寸小。

除了那些非常敏感的電源軌，由降壓轉(zhuǎn)換器提供的其余電源軌也需要較小的電壓輸出波動(dòng)，以不僅支持恒定負(fù)載下的低輸出電壓紋波（即使在滿載時(shí)也低于 1% * V OUT），而且還在負(fù)載瞬態(tài)中提供小的過(guò)沖/下沖。這是因?yàn)榇蟮碾妷翰▌?dòng)會(huì)有NAND退化和控制器不穩(wěn)定的風(fēng)險(xiǎn)，這會(huì)縮短系統(tǒng)壽命甚至造成損壞。

在大多數(shù)應(yīng)用中，效率是 DC/DC 轉(zhuǎn)換器的重要指標(biāo)，這一點(diǎn)也不例外。高效率可以防止功率損耗并提高熱性能。高效率對(duì)于 SSD 也非常關(guān)鍵，因?yàn)檫^(guò)高的溫度會(huì)降低每秒的輸入/輸出速度，并可能損壞 SSD。

隨著數(shù)據(jù)的爆炸式增長(zhǎng)，工程師希望在一個(gè)數(shù)據(jù)中心內(nèi)放置越來(lái)越多的存儲(chǔ)單元。這也挑戰(zhàn)了 DC/DC 轉(zhuǎn)換器的解決方案尺寸。它不僅需要更小的尺寸才能提供更高的功率密度，而且對(duì)高度的要求也更高。

鑒于這些苛刻的要求——尤其是輸出紋波——工程師將在輸出中添加越來(lái)越多的電容器（200 -~500 μF in 8 A），以將紋波保持在較小的電壓。

但是增加更多的電容器不僅會(huì)削弱負(fù)載瞬態(tài)的性能，還會(huì)擴(kuò)大解決方案尺寸并增加物料清單成本。因此，必須在輸出穩(wěn)定性和解決方案尺寸之間進(jìn)行權(quán)衡，即使較大的解決方案尺寸有助于散熱。

圖 2 是 TI 新發(fā)布的 TPS568230 的示意圖。它是一款具有 D-CAP3? 控制模式的 18V IN、8A 降壓轉(zhuǎn)換器，可提供快速瞬態(tài)響應(yīng)，無(wú)需外部補(bǔ)償元件和準(zhǔn)確的輸出電壓。

它可以實(shí)現(xiàn)滿載時(shí)小于 10 mV 的輸出紋波和更快的負(fù)載瞬態(tài)響應(yīng)，在 600 kHz 開(kāi)關(guān)頻率下僅使用四塊 22 μF * 4pcs，如圖 3 所示。負(fù)載階躍來(lái)自2 A 至 6 A，壓擺率為 2.5 A/μS。峰峰值輸出電壓紋波僅為55 mV，可有效避免NAND劣化及相關(guān)損壞風(fēng)險(xiǎn)。

圖 2：TPS568230 降壓轉(zhuǎn)換器原理圖

圖 3：滿載時(shí)的輸出紋波 (a)；負(fù)載瞬態(tài)性能 (b)（V IN = 12 V，V OUT = 1.05 V，F(xiàn) SW = 600 kHz）

TPS568230具有低 R DS(on)（19.5 mΩ 高側(cè)，9.5 mΩ 低側(cè)），可提供良好的效率。圖 4 顯示了熱性能。

圖 4：TPS568230 熱性能（V IN = 12 V，V OUT = 1.05 V，I OUT = 8 A，F(xiàn) SW = 600 kHz，10 分鐘）

TPS568230 的封裝尺寸僅為 3 mm x 3 mm 2，最高 1 MHz 開(kāi)關(guān)頻率也有助于適應(yīng)高功率密度應(yīng)用。特別值得一提的是，在 1.05-V 輸出電壓和 1-MHz 開(kāi)關(guān)頻率下，電感值僅為 0.33 μH（Würth：744373240033，4.45 毫米 x 4.06 毫米 x 1.8 毫米），可同時(shí)節(jié)省電源解決方案尺寸和高度。圖 5 是印刷電路板的模型。總?cè)芤撼叽缧∮?85 mm 2且高度小于2 mm。

圖 5：具有 1MHz 開(kāi)關(guān)頻率的解決方案尺寸

TPS568230 滿足快速負(fù)載瞬態(tài)和高功率密度要求，以及降低物料清單成本。它非常適合具有類似電源軌要求的存儲(chǔ)應(yīng)用程序以及路由器、交換機(jī)和服務(wù)器。