多相降壓轉(zhuǎn)換器的優(yōu)勢(shì)及如何提高微處理器的功效

更高的能效已成為計(jì)算機(jī)服務(wù)器和高性能網(wǎng)絡(luò)設(shè)備的關(guān)鍵要求。冷卻這些系統(tǒng)的成本現(xiàn)在是其壽命成本以及自身能源使用的主要因素。這種系統(tǒng)依賴于先進(jìn)的微處理器，并且在高性能計(jì)算應(yīng)用的情況下，依賴于每秒數(shù)十億次浮點(diǎn)運(yùn)算的通用圖形處理單元(GPGPU)。這些處理器通常密集封裝以最大化其空間效率，并且當(dāng)以峰值速度運(yùn)行時(shí)，每個(gè)處理器可能具有超過100W的功率需求。因此，在苛刻的條件下，功率轉(zhuǎn)換的熱效率至關(guān)重要。為了最大限度地減少服務(wù)器或交換機(jī)背板上的功率分配損耗，這些系統(tǒng)通常采用相對(duì)較高的中間電壓至少為12 V。然后使用負(fù)載點(diǎn)(POL)轉(zhuǎn)換器來提供這些器件所需的低電壓 - 通常約為1V。這通常導(dǎo)致需要高峰值電流值來處理處理器接近其熱封套運(yùn)行的短暫時(shí)期。

傳統(tǒng)上，POL轉(zhuǎn)換器的設(shè)計(jì)旨在實(shí)現(xiàn)高負(fù)載時(shí)的最大效率，因?yàn)檫@是多余的熱量可能是最具破壞性的。目前使用的大多數(shù)POL轉(zhuǎn)換器在滿載時(shí)保證90%以上的效率。在密集的服務(wù)器中，這種效率至關(guān)重要，因?yàn)樗_保標(biāo)準(zhǔn)空氣冷卻可以足夠快地移除熱量，以防止系統(tǒng)過熱以及處理器經(jīng)歷熱關(guān)機(jī)的風(fēng)險(xiǎn)。在現(xiàn)代的基于互聯(lián)網(wǎng)的環(huán)境中，由于突然關(guān)閉處理器而丟失交易和請(qǐng)求會(huì)迅速損害收入和聲譽(yù)。但是，因?yàn)橄到y(tǒng)很少有超過一小部分處理器滿負(fù)荷運(yùn)行，在需要強(qiáng)制空氣冷卻時(shí)可能會(huì)損失大量能量。由于傳統(tǒng)POL轉(zhuǎn)換器的效率隨著負(fù)載的降低而下降，因此需要更大比例的冷卻用于電力輸送基礎(chǔ)設(shè)施而不是處理器本身。如果POL轉(zhuǎn)換器可以更高效，則可以縮減強(qiáng)制空氣冷卻的要求，從而不僅可以節(jié)省服務(wù)器本身，還可以節(jié)省周圍的空調(diào)。

已經(jīng)取得了進(jìn)展。功率轉(zhuǎn)換技術(shù)，主要集中在每個(gè)POL轉(zhuǎn)換器消耗的電路板面積量的問題上。一種趨勢(shì)是開關(guān)頻率的增加以減少峰值電流需求，這有助于將諸如電容器的無源元件的尺寸保持最小。但是，開關(guān)頻率的推高程度有限，特別是在頻率影響較大的大電流系統(tǒng)中。通常，在轉(zhuǎn)換期間，控制開關(guān)的開關(guān)損耗與輸出電流乘以所提供的能量和開關(guān)周期本身成正比。

越來越多的POL IC設(shè)計(jì)人員正在尋求一種解決方案。單個(gè)輸入由多個(gè)轉(zhuǎn)換器處理。轉(zhuǎn)換器彼此同步運(yùn)行，但使用不同的相位。多相轉(zhuǎn)換器中的振蕩器是同步的，使得每個(gè)相以相同的頻率(f)驅(qū)動(dòng)，但相位移動(dòng)360°/N，其中N是整個(gè)轉(zhuǎn)換器中的相數(shù)。每個(gè)降壓相的輸出與其他降壓相并聯(lián)，使得紋波頻率為Nf而不是f

圖1：三相情況下的通道輸入電流和輸入電容電流。

多相的使用意味著核心轉(zhuǎn)換拓?fù)浔３至烁哳l操作的優(yōu)勢(shì)，而不會(huì)縮短開關(guān)周期并且具有減少過紋波電流的好處，因?yàn)殡娏髅}沖之間的間隙比單轉(zhuǎn)換拓?fù)涠痰枚?。這也改善了電磁干擾(EMI)特征，因?yàn)檗D(zhuǎn)換器內(nèi)的電流變化率低于傳統(tǒng)方法。對(duì)于多相或多相轉(zhuǎn)換器，有效工作頻率實(shí)際上是基頻開關(guān)頻率倍增按階段數(shù)量。因此，瞬態(tài)響應(yīng)得到改善，這對(duì)于高級(jí)處理器非常重要，因?yàn)楣β市枨罂梢栽跇O短的時(shí)鐘周期內(nèi)發(fā)生變化。

多相降壓轉(zhuǎn)換器拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)具有更多的封裝優(yōu)勢(shì)。每個(gè)通道的轉(zhuǎn)換功率僅為可比較的單相降壓轉(zhuǎn)換器的一小部分，從而減小了設(shè)計(jì)中使用的電感器和功率MOSFET的尺寸。較小的功率MOSFET可降低動(dòng)態(tài)損耗，因?yàn)樗鼈兙哂休^小的寄生電容。同樣，由于紋波電流減小，電容器的損耗也會(huì)降低。

圖2：針對(duì)一系列不同的多相選項(xiàng)的紋波電流與占空比的關(guān)系。

在峰值需求時(shí)，所有相位都在轉(zhuǎn)換器是活躍的。然而，隨著處理器減速并且其功率需求下降，轉(zhuǎn)換器可以關(guān)閉一個(gè)或多個(gè)相，從整體能量需求中消除該相的開關(guān)損耗。結(jié)果是POL轉(zhuǎn)換器以動(dòng)態(tài)的方式響應(yīng)負(fù)載的需求?？梢允褂肞MBus信號(hào)將對(duì)相位的控制分配給本地微處理器或板級(jí)功率控制器。 PMBus命令可用于讓中央電源管理器開啟或關(guān)閉相位。

多相轉(zhuǎn)換器通過集成PWM(脈沖寬度調(diào)制)電流模式控制器，遙感，幫助最大限度地減少外部元件數(shù)量并簡(jiǎn)化整個(gè)電源設(shè)計(jì)可選擇的相位控制，固有的電流共享能力，大電流MOSFET驅(qū)動(dòng)器以及過壓和過流保護(hù)功能。在更高的功率水平下，可擴(kuò)展的多相控制器可以減小電容器和電感器的尺寸和成本為了控制定制設(shè)計(jì)中的多相轉(zhuǎn)換，Intersil的ISL6364A具有雙PWM輸出，專為低壓處理器和GPU而設(shè)計(jì)。它有一個(gè)四相PWM來控制微處理器內(nèi)核或內(nèi)存電壓調(diào)節(jié)器。其第二個(gè)PWM控制器是單相設(shè)計(jì)，可控制外圍電壓調(diào)節(jié)器的I/O.該器件采用Intersil專有的增強(qiáng)型有源脈沖定位(EAPP)調(diào)制方案，以比標(biāo)準(zhǔn)設(shè)計(jì)更少的輸出電容實(shí)現(xiàn)快速瞬態(tài)響應(yīng)。

ISL6364A的設(shè)計(jì)符合英特爾為VR12/IMVP7級(jí)穩(wěn)壓器提供的規(guī)范。這些穩(wěn)壓器支持POL轉(zhuǎn)換器和處理器之間的緊密合作。對(duì)于ISL6364A，控制器監(jiān)視負(fù)載電流并使用IOUT寄存器將此信息報(bào)告給微處理器。反過來，如果處理器看到電流下降到某個(gè)點(diǎn)以下，則可以通過SVID總線向控制器發(fā)送低功率模式信號(hào)。然后，控制器可以使用單相或兩相操作進(jìn)入低功率模式。在超低功耗模式下，它可以采用二極管仿真選項(xiàng)單相工作。在PSI低功率信號(hào)被置低后，降低的相位被加回以支持更重的負(fù)載。 ISL6364A還支持自動(dòng)相位切除，無需處理器參與即可優(yōu)化效率。

在極低的負(fù)載水平下，即使單相也會(huì)降低效率。 DC/DC控制器供應(yīng)商已經(jīng)實(shí)現(xiàn)了諸如脈沖跳躍或突發(fā)模式之類的技術(shù)。在突發(fā)模式下，開關(guān)電路僅在輸出電壓開始超出調(diào)節(jié)范圍時(shí)激活。

在凌力爾特公司的LTC3856等器件中，當(dāng)平均電感電流高于平均電感電流時(shí)，會(huì)激活睡眠信號(hào)。加載。在睡眠模式期間，負(fù)載電流由輸出電容器提供。當(dāng)輸出電壓下降得足夠遠(yuǎn)時(shí)，睡眠信號(hào)被禁用，轉(zhuǎn)換器在下一個(gè)周期激活，以供電，直到重新確認(rèn)睡眠信號(hào)。脈沖跳躍模式通過在檢測(cè)到輕載條件時(shí)不切換幾個(gè)周期來提供較低的紋波，盡管與突發(fā)模式相比總體效率降低。該架構(gòu)為設(shè)計(jì)人員提供了一種節(jié)能方法，可以最好地適應(yīng)效率和其他因素(例如輸出紋波)之間的權(quán)衡。

在更高的負(fù)載水平下，LT3856執(zhí)行自動(dòng)相位切除和重新激活。當(dāng)板載反饋誤差放大器輸出電壓達(dá)到用戶可編程電壓時(shí)，觸發(fā)級(jí)脫落操作。在此編程電壓下，控制器關(guān)閉其一個(gè)或多個(gè)相位，并停止功率MOSFET開啟和關(guān)閉。這種在階段脫落時(shí)進(jìn)行編程的能力為確定何時(shí)進(jìn)入這種操作模式提供了靈活性。

對(duì)于需要對(duì)系統(tǒng)中運(yùn)行的相數(shù)進(jìn)行高度控制的設(shè)計(jì)，德州儀器(TI)推出了TPS40140 ，多功能控制器，可作為單個(gè)控制器運(yùn)行，也可在多控制器配置中“堆疊”。 TPS40140有兩個(gè)通道，可配置為單相輸出的多相或具有兩個(gè)獨(dú)立輸出電壓的雙輸出。但是，單個(gè)控制器的兩個(gè)通道總是在180度異相切換。

在多器件系統(tǒng)中，通常需要同步每個(gè)器件的時(shí)鐘，以最大限度地減少輸入紋波電流以及輻射和傳導(dǎo)發(fā)射。這是通過將其中一個(gè)控制器指定為主控制器而將其他控制器指定為從屬控制器來實(shí)現(xiàn)的。為了創(chuàng)建一個(gè)12相系統(tǒng)，設(shè)計(jì)人員需要添加五個(gè)從器件，使用PHSEL和CLKIO線互連，然后設(shè)置它們響應(yīng)主時(shí)鐘信號(hào)的方式。

從器件通過在主器件的PHSEL輸出上使用39kΩ串聯(lián)電阻器，從主CLKIO信號(hào)中檢測(cè)正確的時(shí)鐘信號(hào)。根據(jù)主機(jī)的設(shè)置方式，CLKIO信號(hào)在開關(guān)周期的每個(gè)周期產(chǎn)生六個(gè)或八個(gè)時(shí)鐘。為了進(jìn)一步將總電流容量增加到12個(gè)相位，或增加輸出數(shù)量，使用5個(gè)從控制器，在PHSEL線路上設(shè)置兩個(gè)電阻器。為了實(shí)現(xiàn)12相操作，三個(gè)從控制器上的ILIM2引腳接高電平，以便它們?cè)谙鄳?yīng)的CLKIO信號(hào)的下降沿觸發(fā)而不是默認(rèn)的上升沿。

圖3 ：使用六個(gè)TPS40140器件進(jìn)行十二相配置。由于能源效率仍然是服務(wù)器設(shè)計(jì)人員關(guān)注的一個(gè)領(lǐng)域，多相POL策略可能會(huì)變得更加普遍，我們將看到電路的進(jìn)一步改進(jìn)方式對(duì)負(fù)載要求和低負(fù)載條件的快速變化做出反應(yīng)。