在服務器電源中實現(xiàn)多相降壓轉換器的負載線控制

隨著 5G 網(wǎng)絡、云計算、物聯(lián)網(wǎng) (IoT) 和虛擬化的普及，IT 基礎設施正在推動對高性能計算服務器的需求。

每一代新的服務器都需要更高的計算能力和效率，同時也增加了對功率的要求。確保服務器滿足市場需求的關鍵方面之一是了解微處理器的電源對整個服務器的動態(tài)響應和效率的影響。這使工程師能夠配置電源以獲得最佳性能。

當涉及到瞬態(tài)響應要求時，服務器應用程序的要求特別高。為了滿足這些要求，設計人員可以實施負載線控制，有時也稱為有源電壓定位 (AVP)。

了解直流負載線設計

負載線 (LL) 控制是指電壓控制環(huán)路的修改，其中降壓轉換器的輸出電壓 (V OUT ) 可根據(jù)負載電流進行調(diào)整。換言之，V OUT對于所有負載值不再是恒定的，而是根據(jù)功率需求而變化。可以使用公式 1 計算調(diào)整后的輸出電壓：

V OUT = V OUT(NOM) – I OUT × R LL (1)

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

顯示了與固定所有負載的VOUT的傳統(tǒng)方法相比，實施負載線調(diào)節(jié)如何降低直流負載調(diào)節(jié)，導致 V線)。請注意，負載線產(chǎn)生的電壓斜率仍必須設計為滿足為微處理器供電的 V OUT要求。這意味著對于整個輸出電流范圍，V OUT必須落在指定的電壓限制(V MAX和 V MIN )內(nèi)。

實施負載線調(diào)節(jié)的主要原因是在負載電流很大時降低電壓，從而降低功耗和耗散損耗。雖然這是一個經(jīng)常討論的好處，但實施負載線控制的另一個優(yōu)點是它如何改進服務器的動態(tài)響應。

服務器應用中的電源通常必須支持大負載瞬態(tài)。這是因為服務器應用程序中的電源必須為存儲設備和 CPU 等負載供電，這些負載的電源需求根據(jù)它們正在執(zhí)行的任務而有所不同。例如，服務器電源提供遠高于 100 A 的電流步數(shù)的情況并不少見。

顯示了實施負載線之前和之后的電源。由于電流階躍，沒有負載線的電源在負載瞬態(tài)期間會出現(xiàn)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，則可能導致負載損壞并停止運行。通過使用負載線逐漸調(diào)整 V OUT ，可以消除這些峰值并改善瞬態(tài)響應。

雖然負載線提高了服務器性能和效率，但負載線配置必須非常準確，因為轉換器必須始終在設定的電壓限制內(nèi)運行。大多數(shù)通信標準都指定了理想的負載線值，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，負載線可能會在以高功率運行時將電壓推至低于最低要求。

使用直流負載線降低輸出電容

為了演示負載線控制的好處，我們創(chuàng)建了一個通用示例，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——所有這些都是服務器應用中電壓軌的通用值。

使用雙回路、數(shù)字、多相控制器MP2965來實現(xiàn)此示例，因為它支持負載線配置并且可以配置為最多 7 相操作。PMBus 可配置負載線需要在 VDIFF 和 VFB 引腳之間連接一個下垂電阻器 (R DROOP )，以及內(nèi)部寄存器配置。

首先，設計人員必須通過觀察轉換器不使用負載線時的電壓調(diào)節(jié)來確定負載線的影響。對 MP2965 多相控制器施加 160-A 電流階躍以模擬 CPU 負載。顯示了轉換器在沒有直流負載線的情況下的響應。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 的負載線被設計為滿足最小 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)

通過實施直流負載線，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計約束，例如輸出電容，這是用于降低輸出電壓峰值的關鍵要素之一。如表 2 所示，圖 5 和圖 6 所示的電壓響應指的是 4.7 mF 的總輸出電容，由 60 個靠近 CPU 負載的 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)響應的高頻分量，而鋁電解電容濾除低頻分量。這些稱為大容量電容器的鋁電容器經(jīng)過專門設計，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。

由于實施直流負載線已經(jīng)降低了瞬態(tài)峰值，大容量電容對于瞬態(tài)響應變得不那么重要，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，而不會對電路的瞬態(tài)響應產(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)后的結果。

為了增加正負尖峰的電壓裕度，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)響應沒有明顯變化。然而，這仍然提供了降低成本和電路板空間的優(yōu)勢。

負載線的另一個好處是降低了 CPU 功耗。當 V OUT在 160 A 時設置為 1.8 V 時，負載功率為 288 W。通過實施直流負載線并在最大電流下將 V OUT降低到 1.725，圖 7 中的負載功率為 276 W，表示凈功率節(jié)省 12 W。

負載線控制的好處

服務器和計算應用要求電源能夠處理電流的大而突然的變化，同時滿足嚴格的 V OUT調(diào)節(jié)要求。

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