DQZHAN技術(shù)訊：專家技術(shù)文章：為物聯(lián)網(wǎng)云系統(tǒng)供電

云服務(wù)規(guī)模的指數(shù)式增長(zhǎng)推動(dòng)了數(shù)據(jù)中心、網(wǎng)絡(luò)和電信設(shè)備領(lǐng)域發(fā)生顯著進(jìn)步。通過(guò)互聯(lián)網(wǎng)協(xié)議（IP）地址連接到云的物聯(lián)網(wǎng)（IoT）設(shè)備數(shù)量，已經(jīng)超過(guò)地球上人口的數(shù)量。這些增長(zhǎng)對(duì)處理不斷增加的數(shù)據(jù)和視頻的服務(wù)器、存儲(chǔ)器和網(wǎng)絡(luò)交換機(jī)帶來(lái)了巨大影響，正將基礎(chǔ)設(shè)施設(shè)備的處理能力和帶寬推到極限。對(duì)電源設(shè)計(jì)工程師而言，主要挑戰(zhàn)在于如何高效地為這些設(shè)備供電和散熱，同時(shí)將用電量降到*低。工程師在使用目前的先進(jìn)處理器、ASIC和FPGA時(shí)還必須平衡電路板電源占位面積與散熱。

本文綜述了多相轉(zhuǎn)換器架構(gòu)的演變，并比較了不同的控制模式方案；同時(shí)介紹了一個(gè)采用綜合電流控制的新型多相控制器系列。控制技術(shù)的這一進(jìn)步使電源解決方案能夠提供逐周期的電流平衡和更快的瞬態(tài)響應(yīng)，同時(shí)以零延時(shí)跟蹤每個(gè)相電流。

多相技術(shù)發(fā)展到為IoT供電

隨著終端系統(tǒng)功能的不斷增加，對(duì)處理能力的要求也相應(yīng)增加。處理能力主要集中于數(shù)據(jù)中心，在這里，**CPU、數(shù)字ASIC和網(wǎng)絡(luò)處理器運(yùn)行服務(wù)器、存儲(chǔ)器及網(wǎng)絡(luò)設(shè)備。它們通過(guò)電信設(shè)備分布于網(wǎng)絡(luò)，用于PoS機(jī)、臺(tái)式計(jì)算機(jī)或使用CPU或FPGA的嵌入式計(jì)算系統(tǒng)的事務(wù)處理。

這些設(shè)備的共同點(diǎn)是其數(shù)字處理需求具有相似的功率分布曲線（powerprofile）。隨著處理器尺寸的減小和晶體管數(shù)量的增加，處理器現(xiàn)在需要更高的輸出電流，范圍為100A至400A或更高，具體取決于其復(fù)雜度。這個(gè)趨勢(shì)已持續(xù)多年，業(yè)界一直能夠通過(guò)將更低的電源狀態(tài)集成進(jìn)數(shù)字負(fù)載來(lái)適應(yīng)。這使數(shù)字負(fù)載能夠在不使用時(shí)消耗更低的電流，在需要時(shí)達(dá)到功率峰值。不過(guò)，雖然這有利于整體系統(tǒng)功率分配，但會(huì)給電源工程師帶來(lái)另一個(gè)挑戰(zhàn)。一方面仍需要提供超過(guò)200A的滿載電流并進(jìn)行熱管理，另一方面電源必需在不到一微秒時(shí)間內(nèi)對(duì)超過(guò)100A的大負(fù)載階躍作出反應(yīng)，同時(shí)將輸出保持在窄穩(wěn)壓窗口之內(nèi)。

在終端系統(tǒng)中，常見(jiàn)解決方案一直是使用多相DC/DC降壓轉(zhuǎn)換器來(lái)提供所需的功率轉(zhuǎn)換，通常是從12V輸入轉(zhuǎn)換為約1V輸出。要提供大負(fù)載電流，設(shè)計(jì)將負(fù)載分布到多個(gè)較小的級(jí)（稱為相）的多相解決方案比通過(guò)一個(gè)級(jí)來(lái)提供更容易。從(I^2)*R角度來(lái)看，想在一個(gè)相中處理過(guò)高電流會(huì)給設(shè)計(jì)磁性元件和FET以及熱管理帶來(lái)挑戰(zhàn)。對(duì)于大電流要求，多相解決方案與單級(jí)方案相比可提供高效率、更小的尺寸和更低的成本。此方法類似于終端負(fù)載所采取的技術(shù)方向，即多核CPU劃分工作負(fù)載。圖1顯示了使用四個(gè)相為CPU提供150A電流的多相解決方案。

圖1.使用四個(gè)相的多相解決方案

合適的控制方案

多相解決方案提供*佳的電源架構(gòu)，但需要認(rèn)真評(píng)估實(shí)現(xiàn)方式，以匹配*新一代處理器。終端系統(tǒng)的趨勢(shì)始終是更強(qiáng)的性能、更小的尺寸和更好的電源管理。這一趨勢(shì)體現(xiàn)在電源設(shè)計(jì)中，就是通過(guò)增加開(kāi)關(guān)頻率來(lái)將尺寸縮到*小，并在滿載和瞬態(tài)條件下以更高的電流管理更低的輸入電壓。這些趨勢(shì)已帶來(lái)了電源穩(wěn)壓方面的問(wèn)題，要求控制回路相應(yīng)改善。多相控制器領(lǐng)域的主要挑戰(zhàn)是管理每個(gè)相的電流，這需要考慮以下要點(diǎn)：

?每個(gè)相電流必須平均分擔(dān)負(fù)載。如果存在N個(gè)相，則每個(gè)相的電流始終應(yīng)為Iphase=Iout/N。

?穩(wěn)態(tài)和瞬態(tài)期間相電流必須平衡。

保持這些條件很重要，否則你可能要不斷反復(fù)設(shè)計(jì)電源。例如，穩(wěn)態(tài)期間相電流失衡會(huì)導(dǎo)致熱失衡。而在瞬態(tài)條件下，如果僅有一個(gè)相對(duì)負(fù)載階躍做出反應(yīng)，那么其電感器尺寸會(huì)明顯過(guò)大，違背了多相設(shè)計(jì)的初衷。

為滿足上述兩個(gè)條件，重要的是控制回路始終完全了解相電流和輸出電壓，沒(méi)有延時(shí)或采樣延遲現(xiàn)象。

采用綜合電流控制方案

相對(duì)于在電壓控制方面采用變通方法來(lái)避免電流感測(cè)問(wèn)題，還有一種新方案可以解決這個(gè)問(wèn)題。利用先進(jìn)的數(shù)字控制技術(shù)，Intersil在該領(lǐng)域?qū)崿F(xiàn)了突破。通過(guò)將整個(gè)控制、監(jiān)測(cè)和補(bǔ)償放到數(shù)字域中，可以運(yùn)用先進(jìn)的控制方法論，由此產(chǎn)生的綜合電流控制回路能夠提供逐周期的相電流均衡和快速瞬態(tài)響應(yīng)。

該新控制方案的產(chǎn)生，起源于對(duì)下面這個(gè)問(wèn)題的認(rèn)識(shí)：盡管高邊電流信號(hào)在回路中很關(guān)鍵，但由于開(kāi)啟時(shí)間短和高噪聲環(huán)境，無(wú)法進(jìn)行直接測(cè)量。而Intersil控制器使用人工生成的綜合電流信號(hào)，具備無(wú)噪聲、準(zhǔn)確、并且無(wú)延時(shí)的優(yōu)點(diǎn)。其基本原理是，決定相電流涉及的所有參數(shù)在每個(gè)周期均可直接測(cè)量，從而允許控制器獲得電流值，如圖2的電流波形所示。

圖2.電感器電流波形

電流波形的斜率與輸入/輸出電壓和電感有關(guān)。通過(guò)持續(xù)測(cè)量電壓和計(jì)算電感，可以生成綜合電流波形。通過(guò)電流向下補(bǔ)償過(guò)程中的實(shí)際測(cè)量進(jìn)行校準(zhǔn)，有助于控制器消除由于電流失調(diào)或斜率而產(chǎn)生的誤差。這有助于控制器補(bǔ)償系統(tǒng)由于老化、發(fā)熱或電感飽和導(dǎo)致的任何變化。除了內(nèi)部無(wú)噪聲電流波形，控制器還可以控制回路延時(shí)。由于電感電流斜坡由脈沖寬度調(diào)制（PWM）計(jì)時(shí)，而PWM的信號(hào)是從控制器發(fā)出，數(shù)字回路可以通過(guò)Intersil智能功率級(jí)來(lái)控制所有傳播延時(shí)，從而消除內(nèi)部電流波形延時(shí)。

此功能只是在有電流和電壓信息的數(shù)字域中采用整個(gè)回路控制而獲得的好處之一。圖3的框圖顯示了數(shù)字信號(hào)處理可以應(yīng)用于許多領(lǐng)域，以改善總體響應(yīng)。電壓回路補(bǔ)償?shù)膶?shí)現(xiàn)使用傳統(tǒng)PID系數(shù)，該系數(shù)可通過(guò)IntersilPowerNavigator?GUI實(shí)時(shí)調(diào)整。在具有非常嚴(yán)格電壓窗口的情況下，通過(guò)使用交流電流反饋可進(jìn)一步提升瞬態(tài)性能。通過(guò)實(shí)施可調(diào)節(jié)濾波器和閾值，可將動(dòng)態(tài)的負(fù)載變化直接注入回路，從而提供與負(fù)載階躍成比例的更快響應(yīng)。

圖3.控制回路的框圖

綜合電流控制的優(yōu)勢(shì)

綜合電流控制的優(yōu)勢(shì)是現(xiàn)在可以設(shè)計(jì)具有逐周期電流平衡和快速瞬態(tài)響應(yīng)的多相電源。每個(gè)相的電流是準(zhǔn)確已知的，從而允許器件在連續(xù)負(fù)載瞬態(tài)條件下保持穩(wěn)定工作，其中所有的相平均分擔(dān)電流。與電流反饋通路中的零延時(shí)相結(jié)合，綜合電流控制使器件能夠更快地響應(yīng)負(fù)載條件，從而將輸出電容降到*低。即使在使用大電流CPU的情況下，也可以使用“全陶瓷”輸出電容器解決方案。利用零延時(shí)、全帶寬、數(shù)字電流波形，控制回路可按照負(fù)載線路**定位輸出電壓，模仿負(fù)載分布曲線的響應(yīng)。這可避免在輸出電壓穩(wěn)定到新目標(biāo)電壓時(shí)出現(xiàn)的傳統(tǒng)模擬RC衰減。圖4顯示了在無(wú)需負(fù)載線路的情況下，器件仍能夠滿足任何負(fù)載瞬變要求，同時(shí)使器件電壓穩(wěn)定。

圖4.90A負(fù)載階躍的瞬態(tài)響應(yīng)

如圖所示，綜合電流控制回路有助于多相控制器為CPU、FPGA和ASIC等現(xiàn)代大電流負(fù)載供電。對(duì)相電流的準(zhǔn)確控制和定位，有助于控制器以*小輸出電容滿足任何瞬變條件的要求，同時(shí)又不會(huì)使電感器尺寸過(guò)大。

結(jié)論

多相控制架構(gòu)已進(jìn)入數(shù)字時(shí)代，這非常有助于解決為現(xiàn)代大電流負(fù)載供電的挑戰(zhàn)。這一優(yōu)勢(shì)已在**性的綜合電流控制方案所提供的瞬態(tài)響應(yīng)和相均衡方面有所體現(xiàn)，另外它還為電源設(shè)計(jì)的其他許多方面帶來(lái)優(yōu)勢(shì)，只是尚未展開(kāi)討論。其中一個(gè)不容忽視的方面是，通過(guò)軟件調(diào)節(jié)、控制和監(jiān)測(cè)各項(xiàng)設(shè)置的能力。從高層面看，這提供了更簡(jiǎn)單的回路設(shè)計(jì)及調(diào)諧方案，因?yàn)槲覀兛梢允褂萌鏟owerNavigatorGUI等軟件界面，用幾分鐘就能建立完整的設(shè)計(jì)。但在需要調(diào)試系統(tǒng)時(shí)，電路板方面的影響就明顯了。即刻了解電源的狀態(tài)和條件，以及通過(guò)可調(diào)節(jié)濾波器和實(shí)時(shí)軟件控制對(duì)噪聲條件進(jìn)行補(bǔ)償，有助于設(shè)計(jì)工程師克服任何挑戰(zhàn)而無(wú)需重新設(shè)計(jì)電路板。這些無(wú)形的優(yōu)勢(shì)將使得越來(lái)越多的電源采用數(shù)字控制方案。