物聯網(IoT)雲端服務規模的指數級成長推動了資料中心、網路和電信設備領域的顯著進步。透過網際網路協議(IP)位址連接到雲端的IoT設備數量,已經超過地球上人口的數量。為了因應持續增加中的資料與視訊,使得資料中心的伺服器、記憶體和網路交換機等基礎設施設備的處理能力和頻寬即將達到極限。

對於電源設計工程師而言,主要的挑戰在於如何高效地為這些設備供電和散熱,同時將用電量降到最低。工程師在使用目前的先進處理器、ASIC和FPGA時,還必須考慮權衡電路板電源所佔的面積與散熱能力。

本文綜述多相轉換器架構的演變,並比較了不同的控制模式方案;同時介紹了一種利用合成電流控制的新型多相架構。這一進展使電源解決方案能夠提供逐週期的電流均衡和更快的瞬態響應,同時以零延遲追蹤每相電流。

多相技術可為IoT供電

隨著終端系統功能的不斷增加,對於處理能力的要求也相應提高。處理能力主要集中於資料中心,包括高階CPU、數位ASIC和網路處理器執行於伺服器、儲存與網路設備。它們透過電信設備分佈於整個網路,用於銷售點(PoS)機器、桌上型電腦以及基於CPU或FPGA的嵌入式運算系統進行交易處理。

這些設備的共同點是其數位處理需求具有相似的功率分佈曲線。隨著處理器製程幾何微縮和電晶體數量增加,處理器現在需要更高的輸出電流,範圍約為100A~400A或更高。

這個趨勢已經持續多年了,業界的作法一直是將更低的電源狀態整合於數位負載,以因應需求。這使得數位負載能夠在閒置時消耗更低電流,只在需要時達到功率峰值。

不過,這雖然有利於整體系統的功率預算,但卻為電源工程師帶來另一項挑戰。一方面他們仍必須提供超過200A的滿載電流並進行熱管理,另一方面,電源必需在不到1微秒的時間內對超過100A的大負載步進電流作出反應,同時將輸出保持在窄穩壓視窗之內。

在終端系統中,常見的解決方案一直是使用多相DC/DC降壓轉換器,以提供所需的功率轉換,通常是從12V輸入轉換為約1V的輸出。為了提供大負載電流,設計一種可將負載切割成多個較小相位的多相解決方案,比透過單相來提供更容易。

從I2R的角度來看,試圖在單個相位中處理過多的電流,將會對於設計磁性元件和FET以及熱管理帶來挑戰。對於較高的電流要求,多相解決方案與單級方案相較可提供高效率、更小的尺寸以及更低的成本。這種方法類似於終端負載所採取的技術方向,即多核心CPU劃分工作負載。圖1顯示使用四個相位為CPU提供150A電流的多相解決方案。

20170724_Intersil_TA31P1 圖1:支援四個相位的多相解決方案

合適的控制方案

多相解決方案提供最佳的電源架構,但必須謹慎評估建置方式,才能搭配最新一代的處理器。終端系統的趨勢始終是更強的性能、更小的尺寸和更高效率的電源管理。這一趨勢反映在電源設計中,就是透過增加開關頻率而將尺寸縮至最小,並在滿載和瞬態條件下以更高的電流管理更低的輸入電壓。這些趨勢帶來了電源穩壓方面的問題,控制迴路必須相應加以改善。多相控制器領域的主要挑戰是管理每個相位的電流,這必須考慮以下要點:

每個相位的電流必須平均分擔負載。如果存在N個相位,則每個相位的電流始終應為Iphase=Iout/N。 在穩態和瞬態期間的相位電流必須均衡。

保持這些條件很重要,否則你可能得不斷地反覆設計電源。例如,穩態期間相位電流不均衡會導致熱失衡。而在瞬態條件下,如果僅有一個相對負載步進電流發生響應,則其電感器尺寸將會明顯過大,違背了多相設計的初衷。

為了滿足上述兩個條件,重要的是控制迴路始終完全掌握相位電流和輸出電壓,而不至於發生延遲或採樣延遲現象。

採用合成電流控制方案

相較於在電壓控制方面採用變通方法來避免電流感測問題,還有其他的新方案可以解決這個問題。例如Intersil利用先進的數位控制技術,將整個控制、監測和補償移至數位域,由此產生的合成電流控制迴路提供了逐週期的相位電流均衡與快速瞬態響應。

新的控制方案源於這樣的挑戰:儘管高側電流訊號在迴路中至關重要,但由於開啟時間短和高雜訊環境,而無法進行直接測量。而新的相位控制器使用人為產生的合成電流訊號,具備無雜訊、準確且零延遲的優點。其基本原理是,決定相位電流涉及的所有參數可在每個週期直接測量,使控制器得以取得電流值,如圖2的電流波形所示。

20170724_Intersil_TA31P2 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。透過持續測量電壓和計算電感,就能產生合成的電流波形。在電流衰減時實際進行測量並進行校準,讓控制器得以消除由於電流偏移或衰減而產生的誤差。這有助於控制器補償系統由於老化、發熱或電感飽和導致的任何變化。除了內部無雜訊的電流波形,這種控制器還可以控制迴路延遲。由於電感電流斜升(ramp)由脈衝寬度調變(PWM)計時,而PWM的訊號是從控制器發出,數位迴路可以透過智慧功率級來控制所有傳播延遲,從而消除內部電流波形延遲。

這種功能還只是其中的好處之一,在兼具電流和電壓資訊的數位域中採用整個迴路控制還有更多優點。圖3的方塊圖顯示了數位訊號處理可以應用於許多領域,以改善整體響應。電壓迴路補償的實現使用傳統PID係數,該係數可透過Intersil PowerNavigato GUI即時調整。

在具有非常嚴格電壓視窗的情況下,透過使用AC電流反饋可進一步提升瞬態性能。透過實施可調節的濾波器和閾值,可將動態的負載變化直接注入迴路,從而提供與負載步進電流成比例的更快速響應。

20170724_Intersil_TA31P3 圖3:控制迴路的方塊圖

合成電流控制的優點

合成電流控制的優點是能夠設計具有逐週期電流均衡和快速瞬態響應的多相電源。每個相位的電流是準確的,讓元件得以在連續負載瞬態的條件下保持穩定操作,其中所有的相位平均地分擔電流。合成電流控制可在電流反饋路徑中結合零延遲,而使元件能更快地回應負載條件,從而將輸出電容降到最低。即使採用高電流的CPU,也可以使用「全陶瓷」輸出電容器解決方案。該控制迴路可利用零延遲、全頻寬、數位電流波形,根據負載線路精確地定位輸出電壓、模擬負載分佈曲線的準確響應。這避免了在輸出電壓穩定到新目標電壓時出現的傳統類比RC衰減。圖4顯示在無需負載線路的情況下,元件仍能滿足任何負載瞬變要求,並使電壓穩定。

20170724_Intersil_TA31P4 圖4:90A負載的瞬態響應

如圖4所示,合成電流控制迴路有助於多相控制器為CPU、FPGA和ASIC等現代高電流負載供電。對於相位電流的準確控制和定位,有助於控制器以最小輸出電容滿足任何瞬變條件的要求,同時又不會使電感器尺寸過大。

結語

多相控制架構已進入數位時代,這相當有助於解決為現代高電流負載供電的挑戰。這一優勢已經表現在革命性的合成電流控制方案所提供的瞬態響應和相位均衡上,當然,它還為電源設計帶來其他許多好處,例如,其中一項不容忽視的是透過軟體進行調節、控制和監測各項設置的能力。

從較高層次來看,這為設計與調諧迴路提供了更簡單的途徑。我們可以使用如PowerNavigator GUI等軟體介面,在幾分鐘之內建立完整的設計。而在進行電路板除錯期間,即時瞭解電源狀態與條件以及經由可調節濾波器和即時軟體控制對雜訊條件進行補償的能力,有助於設計工程師克服任何挑戰而無需重新進行設計。這些無形的優勢將有利於越來越多的電源採用數位控制方案。