多相DC/DC轉(zhuǎn)換器在整個(gè)負(fù)載范圍內(nèi)提供高效率

概述

近年來，隨著因特網(wǎng)服務(wù)需求量的顯著增長，全球數(shù)據(jù)中心的電力消耗已經(jīng)成為一個(gè)重要的問題。數(shù)據(jù)中心可編排網(wǎng)頁、實(shí)現(xiàn)社會(huì)網(wǎng)絡(luò)和流媒體服務(wù)、提供音樂和視頻下載、提供互聯(lián)網(wǎng)訪問以及運(yùn)行仿真。另外，它們還為銀行及其它金融業(yè)務(wù)的傳統(tǒng)和私人用戶提供了計(jì)算能力。數(shù)據(jù)中心常常占據(jù)多間房屋、多個(gè)樓層甚至整幢大樓，包含計(jì)算機(jī)、存儲(chǔ)和網(wǎng)絡(luò)設(shè)備。在 2000 年?2005 年間，數(shù)據(jù)中心的總用電量翻了一番 ── 從每年 700 億度增加到了 1400 億度，并繼續(xù)以 16.7% 的平均增長率逐年攀升，而亞太地區(qū) （不包括日本）是世界上僅有的一個(gè)遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過該平均增長率的主要地區(qū)（資料來源：“Worldwide electricity used in data centers”，Jonathan Koomey 撰文，美國勞倫斯伯克力國家實(shí)驗(yàn)室，2008 年）。

數(shù)據(jù)中心所采用的計(jì)算機(jī) (常稱為服務(wù)器) 與 PC 架構(gòu)相似，具有一個(gè) CPU、ASIC、FPGA 和存儲(chǔ)器。然而，與 PC 不同的是，數(shù)據(jù)中心里的服務(wù)器盡可能緊密地組合在一起且耗用大量的電力，因而產(chǎn)生了必須散逸的熱量。功率通過不間斷電源系統(tǒng) (UPS) 輸送至這些服務(wù)器，其后通常設(shè)有一個(gè)分布式電源系統(tǒng)和用于負(fù)載點(diǎn) (POL) 供電的降壓型 DC/DC 轉(zhuǎn)換器。此類功率輸送方法的效率達(dá)不到 100%，而且會(huì)產(chǎn)生大量的熱量。必須謹(jǐn)慎和持續(xù)不斷地管理這些熱量，以使系統(tǒng)在其規(guī)定的工作溫度范圍內(nèi)運(yùn)行。無論冷卻系統(tǒng)的類型和效率如何，都必須采取某種方法將熱量從數(shù)據(jù)中心去除。而要做到這一點(diǎn)，就必需使用額外的能量來運(yùn)作冷卻設(shè)施。

據(jù)估計(jì)，由于低效率和冷卻系統(tǒng)所造成數(shù)據(jù)中心增加額外功耗與服務(wù)器、存儲(chǔ)和網(wǎng)絡(luò)設(shè)備所消耗的功率量大致相等。單臺(tái) PC、工作站或筆記本電腦的用戶并不會(huì)把系統(tǒng)發(fā)熱看作一個(gè)問題，但對(duì)于數(shù)據(jù)中心而言，管理這種熱開銷的重要性絲毫不亞于服務(wù)器本身。如果降低了系統(tǒng)功率，那么可用開銷就能夠處理一個(gè)更大的 IT 負(fù)載并完成更多有用的工作，而功耗水平保持不變。

由于數(shù)據(jù)中心的功率需求持續(xù)增加，因此必需進(jìn)行效率較高的功率轉(zhuǎn)換以減少被作為熱量而浪費(fèi)掉的功率。智能型多相控制器技術(shù)是一種適合大電流 POL 應(yīng)用的絕佳解決方案。該架構(gòu)使得大電流穩(wěn)壓器能夠在滿負(fù)載條件下實(shí)現(xiàn)大大超過 90% 的效率。然而，此類設(shè)計(jì)大多數(shù)不滿足在輕負(fù)載到中等負(fù)載時(shí)實(shí)現(xiàn)較高效率的需求。節(jié)省輕負(fù)載至中等負(fù)載時(shí)浪費(fèi)的電力與節(jié)省重負(fù)載時(shí)浪費(fèi)的電力一樣重要。

大部分嵌入式系統(tǒng)通過 48V 背板來供電。這個(gè)電壓正常情況下被降至較低的 24V、12V 或 5V 中間總線電壓，用于向系統(tǒng)內(nèi)部的電路板支架供電。不過，要求這些電路板上的大多數(shù)子電路或 IC 在不到 1V?3.3V 的電壓范圍內(nèi)、以數(shù)十 mA 至數(shù)百 A 的電流工作。因此，要從 24V、12V 或 5V 電壓軌降至子電路或 IC 所需的電壓和電流值，POL DC/DC 轉(zhuǎn)換器是必不可少的。

顯然，人們希望在電壓不斷下降的情況下增加電流，這種日漸增長的需求將繼續(xù)推動(dòng)電源產(chǎn)品的開發(fā)。這一領(lǐng)域的很多成果可以追溯到功率轉(zhuǎn)換技術(shù)領(lǐng)域中所取得的進(jìn)步，特別是電源 IC 和功率半導(dǎo)體器件的改善?？傮w而言，這些組件對(duì)提高電源性能起到了很大作用，因?yàn)樗鼈冊(cè)试S在對(duì)功率轉(zhuǎn)換效率影響最小的前提下提高開關(guān)效率。這是通過降低開關(guān)和接通狀態(tài)損耗，從而在提高效率的同時(shí)可允許高效地去除熱量。不過，向較低輸出電壓轉(zhuǎn)變給這些因素施加了更大的壓力，這反過來又導(dǎo)致了極大的設(shè)計(jì)挑戰(zhàn)。

多相拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)

多相運(yùn)作是轉(zhuǎn)換拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)的一般性術(shù)語，在這類拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)中，由兩個(gè)或更多個(gè)轉(zhuǎn)換器處理單個(gè)輸入，而且這些轉(zhuǎn)換器相互同步但以不同和鎖定的相位運(yùn)行。這種方法降低了輸入紋波電流、輸出紋波電壓以及總的 RFI (射頻干擾) 特征值，同時(shí)提供了單個(gè)大電流輸出或具完全穩(wěn)定輸出電壓的多個(gè)較低電流輸出。這種方法還允許使用較小的外部組件，從而造就效率較高的轉(zhuǎn)換器，并且提供了以更少的冷卻措施改善熱量管理這種附加的好處。

盡管一般而言，降壓型轉(zhuǎn)換器是更為普遍的應(yīng)用，但是多相拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)可以配置為降壓型、升壓型甚至正激式轉(zhuǎn)換器。如今，從 12VIN 至 1.xVOUT 的轉(zhuǎn)換效率高達(dá) 95% 是很普遍的。

在較高的功率電平條件下，可擴(kuò)展型多相控制器運(yùn)用輸入和輸出紋波電流抵消 (通過對(duì)多個(gè)并聯(lián)功率級(jí)的時(shí)鐘信號(hào)進(jìn)行交錯(cuò)處理而得以實(shí)現(xiàn)) 來縮減電容器和電感器的尺寸和成本。通過集成 PWM (脈寬調(diào)制) 電流模式控制器、真正的遠(yuǎn)端采樣、可選的定相控制、固有的電流均分能力、大電流 MOSFET 驅(qū)動(dòng)器、以及過壓和過流保護(hù)功能，多相轉(zhuǎn)換器有助于最大限度地減少外部組件數(shù)目和簡化整個(gè)電源設(shè)計(jì)。這簡化了制造過程

從而不僅有助于提高電源的可靠性，還使電源成為可擴(kuò)展的。此類系統(tǒng)最多可擴(kuò)展至 12 個(gè)相位，以提供高達(dá) 300A 的大電流輸出。

凌力爾特有多款多相DC/DC控制器，包括適合大電流POL轉(zhuǎn)換和單路輸出同步降壓型控制器。這些器件不僅能夠提升滿負(fù)載效率，而且還具備一種任選的“逐級(jí)遞減”(Stage SheddingTM) 功能，該功能可降低輕負(fù)載至中等負(fù)載時(shí)的功率損耗。圖1是一款典型應(yīng)用原理圖，該電路用于利用兩個(gè)相位從一個(gè)4.5V~14V 輸入電壓產(chǎn)生1.5V/50A 輸出。

圖 1：大輸出電流 1.5V/50A 應(yīng)用電路原理圖

凌力爾特的LTC3856 具有兩個(gè)通道，且使用多個(gè)IC能實(shí)現(xiàn)多達(dá)12個(gè)相位。而LTC3829 具有3個(gè)通道，當(dāng)使用兩個(gè)IC時(shí)，能以多達(dá)6個(gè)相位運(yùn)作。內(nèi)置的差分放大器負(fù)責(zé)提供對(duì)正和負(fù)終端的真正遠(yuǎn)端輸出電壓采樣，從而實(shí)現(xiàn)了高準(zhǔn)確度穩(wěn)壓，而不受走線、過孔和互連線中IR損耗的影響。

圖 2 中的電路采用 3 個(gè)相位從 6V~28V 輸入電壓產(chǎn)生一個(gè) 1.2V/75A 輸出。

圖 2：大輸出電流 1.2V/75A 應(yīng)用電路原理圖

額外的好處

這些控制器采用全N溝道MOSFET，在 4.5V~38V的輸入電壓范圍內(nèi)工作，并能產(chǎn)生0.6V~5V、準(zhǔn)確度為±0.75%的輸出電壓。通過對(duì)輸出電流檢測(cè)，或通過使用一個(gè)檢測(cè)電阻器來監(jiān)視輸出電感器 (DCR) 兩端的壓降，以實(shí)現(xiàn)最高的效率?？删幊?DCR 溫度補(bǔ)償在很寬的溫度范圍內(nèi)保持了準(zhǔn)確的過流限制設(shè)定點(diǎn)。強(qiáng)大的內(nèi)置柵極驅(qū)動(dòng)器最大限度地降低了MOSFET的開關(guān)損耗，并允許使用多個(gè)并聯(lián)連接的 MOSFET。固定工作頻率可設(shè)定為250kHz?770kHz，或者利用其內(nèi)部 PLL 同步至一個(gè)外部時(shí)鐘。僅為90ns的最短接通時(shí)間使LTC3729 和LTC3856 非常適用于高降壓比/高頻應(yīng)用。

逐級(jí)遞減操作

在輕負(fù)載條件下，與開關(guān)切換有關(guān)的功率損耗通常左右著一個(gè)開關(guān)穩(wěn)壓器的總損耗。在輕負(fù)載時(shí)消除一個(gè)或多個(gè)輸出級(jí)的柵極電荷和開關(guān)損耗將極大地提高效率。

逐級(jí)遞減操作模式允許在輕負(fù)載情況下關(guān)斷一個(gè)或多個(gè)相位，以降低與開關(guān)切換有關(guān)的損耗，而且這種操作模式通常在負(fù)載電流降至不到15A 時(shí)使用?？傮w效率可以提升13%之多，如圖3所示。這張圖還顯示了較早和可比較的LTC3729兩相控制器的效率。由于更強(qiáng)的柵極驅(qū)動(dòng)和更短的死區(qū)時(shí)間，LTC3856能夠在整個(gè)負(fù)載范圍內(nèi)實(shí)現(xiàn)比LTC3729 約高3%至4%的效率。

圖 3：采用逐級(jí)遞減相位時(shí)LTC3856的效率曲線 (與較早的一款控制器做了對(duì)比)
當(dāng)內(nèi)置反饋誤差放大器的輸出電壓達(dá)到用戶可編程電壓時(shí)，就觸發(fā)逐級(jí)遞減操作模式。在這個(gè)編程電壓上，該控制器關(guān)斷它的一個(gè)或多個(gè)相位，并阻止功率 MOSFET 的接通和斷開。這種能設(shè)置何時(shí)觸發(fā)逐級(jí)遞減操作模式的能力帶來了能決定何時(shí)進(jìn)入這種操作模式的靈活性。圖 4 中顯示了 SW 波形以及 LTC3829 怎樣進(jìn)入和退出逐級(jí)遞減操作模式。

圖 4：LTC3829 逐級(jí)遞減相位波形：(a) 進(jìn)入逐級(jí)遞減操作模式，和 (b) 退出逐級(jí)遞減操作模式
LTC3856 和 LTC3829 能以 3 種模式中的任意一種來運(yùn)作：突發(fā)模式 (Burst Mode®) 操作、強(qiáng)制連續(xù)模式或逐級(jí)遞減模式，所有這 3 種模式均可由用戶來選擇。在超過15A 的重負(fù)載條件下，這些器件以恒定頻率 PWM 模式運(yùn)作。在負(fù)載非常輕的情況下，可以選擇突發(fā)模式操作，并將在負(fù)載電流不到 0.5A 時(shí)產(chǎn)生最高的效率。突發(fā)模式操作在一個(gè)周期至幾個(gè)周期的脈沖串之間切換，而由輸出電容器在內(nèi)部睡眠期間提供能量。

有源電壓定位

有源電壓定位 (AVP) 在階躍負(fù)載期間減小最大電壓偏離，并在較重負(fù)載時(shí)降低功耗，從而進(jìn)一步提高效率。圖 5 示出了圖 1 中的電路在采用和未采用 AVP 時(shí)的工作特性差異。未采用 AVP 時(shí)，就一個(gè) 25A 階躍負(fù)載而言，最大電壓偏離為 108mV。而采用 AVP 時(shí)，對(duì)于同樣的 25A 階躍負(fù)載，最大電壓偏離則為 54mV。此外，當(dāng)輸出電流從 25A 上升至 50A 時(shí)，輸出電壓將下降 54mV，結(jié)果負(fù)載消耗降低2.7W 功率。

圖 5：負(fù)載階躍特性 (a) 未采用有源電壓定位，和 (b) 采用有源電壓定位

結(jié)論

未來幾年，降低數(shù)據(jù)中心功耗的需求將成為一個(gè)主要焦點(diǎn)。就幾乎任何種類的系統(tǒng)而言，由于在一個(gè)給定機(jī)柜中受限的空間和冷卻以及在整個(gè)負(fù)載范圍內(nèi)需要高效率等多種限制條件，所以 POL DC/DC 轉(zhuǎn)換器的設(shè)計(jì)人員面臨著諸多挑戰(zhàn)。盡管必須克服大量的限制因素，很多近期推出的多相穩(wěn)壓器還是提供了簡單、緊湊和高效率的解決方案。通過邁向多元化的多相拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，設(shè)計(jì)人員就能夠有效地節(jié)省空間、簡化布局、降低電容器紋波電流、改善可靠性并減少被作為熱量而白白浪費(fèi)掉的功率。