多相解決方案改善了數(shù)據(jù)中心的效率和尺寸

 

隨著終端系統(tǒng)功能的增多，處理功率也相應提高，以滿足新的數(shù)據(jù)中心設計要求。這種高處理能力需求主要集中在數(shù)據(jù)中心應用中，數(shù)字中心采用高端 CPU/ASIC 和處理器來運行服務器、存儲和網(wǎng)絡設備。服務器和網(wǎng)絡設備則通過電信設備分布至網(wǎng)絡，然后通過 CPU/ASIC 和 FPGA 的銷售點設備、臺式電腦和嵌入式計算系統(tǒng)進行工作。

 

在上述示例中，CPU/ASIC 和處理器具有相似的數(shù)字處理需求，以及相似的功率分布。雖然如今處理器的尺寸不斷縮小，但它們采用了更多的晶體管，因此需要更高的輸出電流，范圍一般在 100A 至 500A 之間，甚至更高，具體由其復雜程度決定。 該行業(yè)通過在數(shù)字負載中集成低功率狀態(tài)來調(diào)整這種情況。此舉使得設備能在空閑時以更低電流運行，在需要時再按全功率運行。這有利于控制整個系統(tǒng)的功率預算，但會給全功率端的電源設計人員帶來另一項挑戰(zhàn)。首先，數(shù)據(jù)中心電源必須對需要在不到 1 微秒的時間內(nèi)實現(xiàn)超過 100A 的大階躍載荷做出響應，同時還需保持很窄的輸出調(diào)整率。其次，必須小心可靠地管理散熱性能，才能繼續(xù)保持全功率范圍。

 

多相電壓調(diào)節(jié)器模塊（VRM）可以解決這些挑戰(zhàn)。VRM 提供電源轉換，一般是從 12V 輸入轉換至 1V（或更低）輸出。 要提供如此大的負載電流，更簡單的方法是設計一個多相解決方案，將負載分配給多個更小的功率級（所謂的相），而不是嘗試使用單相來提供。在設計電磁和功率級，以及要從功耗的角度解決散熱問題時，想要通過單相提供太多電流是一項巨大的挑戰(zhàn)。相比通過單相提供大電流，多相解決方案則具有高效率、小尺寸和低成本等特點。這與多核 CPU 類似，該 CPU 會拆分末端負載的工作負載。

 

對電源數(shù)據(jù)中心的數(shù)字控制

 

幾十年來，人們一直將模擬控制作為值得信賴的方法和電源系統(tǒng)解決方案。但是，在涉及大電流和高功率應用時，模擬控制存在一定的缺陷。對于高端電源解決方案，電源系統(tǒng)需要更加智能化并能集成到整個解決方案中，且電源解決方案和主 CPU/ASIC 之間的通信應該是一項硬性設計要求。

 

因此，數(shù)字控制解決方案非常適合數(shù)據(jù)中心應用。 為幫助理解，我們以 MPS 的 MP2888A 為例，這是一款數(shù)字多相控制器，可以替代傳統(tǒng)的模擬控制器。MP2888A 是一款具有 PMBus 和 PWM-VID 接口的 10 相數(shù)字多相控制器 （參見表 1）.

 

表 1: MPS 數(shù)字控制器對比傳統(tǒng)模擬控制器

 

由于采用數(shù)字控制技術，僅需在封裝中配置一個單獨的引腳，MP2888A便可支持PWM-VID。 如果是采用模擬控制器，想要實現(xiàn)相同的功能，一般需要使用 4個 引腳并需要額外添加7 個以上高精度外部元器件 （參見圖 1）. 雖然高精度元器件提升了設備功能，但它們也增加了整體方案成本。 

 

a) 支持PWM-VID 和 REFIN 的模擬控制器方案電路

 

b) 支持PWM-VID 和 REFIN 的，集成可編程寄存器MP2888A方案電路

圖1：支持PWM-VID（模擬控制器對比數(shù)字控制器）

 

傳統(tǒng)的模擬控制器需要采用 RC 電路來構建反饋補償環(huán)路。要優(yōu)化補償回路，需要進行多次迭代來計算外部部件的正確值從而滿足多種工作條件。在測試和重新測試系統(tǒng)之前，工程師還必須更改這些部件。數(shù)字控制解決方案避免了潛在的重復勞動，使系統(tǒng)微調(diào)變得更加容易。

 

因為具有自動環(huán)路補償功能，數(shù)字控制解決方案無需使用任何外部元器件，且可以通過使用 PMBus 調(diào)整寄存器設置來輕松完成微調(diào)。還可以使用一個寄存器來正確設置公差范圍，由此輕松完成負載-線性校準——在超頻期間，此功能非常有用，可以幫助穩(wěn)定 CPU/ASIC。與數(shù)字控制器相比，模擬控制器需要使用14 個以上外部部件來進行環(huán)路補償和負載-線性校準（參見圖 2）。 模擬控制器。 (參見圖2). 

 

圖 2: 負載-線性和環(huán)路補償（模擬控制器對比數(shù)字控制器）

 

數(shù)字控制器可以簡化系統(tǒng)設計。 對于工程師而言，可以幫助簡化 PCB 布局設計。 圖 3 為模擬控制器和數(shù)字控制器對比圖。 數(shù)字控制器可以節(jié)省 36% 的占板面積，需要的傳統(tǒng)部件數(shù)量不到原來的一半。

 

圖 3: PCB 布局的復雜程度（模擬控制器對比數(shù)字控制器）

 

典型的模擬控制器使用一個 PWM 信號來驅動單個功率級。對于數(shù)據(jù)中心等高功率應用，其處理器要求至少 500A 或更高的負載電流，一般采用的方法是：

 

1. 選擇相位數(shù)量最多的控制器（例如 20 個相位）

2. 使用倍相器，通過生成兩個交錯并聯(lián)的信號（由原始信號構成）來使相位數(shù)量翻倍

 

但是，目前市面上尚沒有 20 相模擬或數(shù)字控制器，而且倍相器會增加部件數(shù)量和成本，同時增高系統(tǒng)設計的復雜性。

 

與此相反，數(shù)字控制器（例如 MP2888A）可以通過一個通用 PWM 信號來驅動兩個功率級 (參見圖4).此類數(shù)字控制器無需采用倍相器，還可確保兩個功率級之間的均流。因此，一個 10 相數(shù)字多相控制器堪比 20 相系統(tǒng)設計。 

 

圖 4: MP2888A 采用一個常用 PWM 信號來驅動兩個Intelli-PhaseTM設備

 

結論

 

多相解決方案已逐步發(fā)展為數(shù)字控制方案，它能夠更有效地解決大電流/功率應用挑戰(zhàn)，例如數(shù)據(jù)中心此類應用。通過采用數(shù)字控制解決方案，可以大幅降低部件選擇、環(huán)路/性能優(yōu)化和布局等帶來的負擔。這些控制解決方案縮短了整體設計和解決系統(tǒng)故障所需的時間，最終加快了上市速度。

 

 

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