多相降壓變換器的Load-Line設(shè)計(jì)

5G 網(wǎng)絡(luò)、云計(jì)算、物聯(lián)網(wǎng) (IoT) 和虛擬化的發(fā)展正在推動IT 基礎(chǔ)設(shè)施對高性能計(jì)算服務(wù)器提出更高的需求。服務(wù)器的更新迭代對計(jì)算能力和效率提出更高要求，同時對功率的需求也不斷增加。確保服務(wù)器滿足市場需求的關(guān)鍵任務(wù)之一就是了解微處理器電源對整個服務(wù)器的動態(tài)響應(yīng)與效率的影響，從而配置電源以獲得最佳的性能。

服務(wù)器應(yīng)用對瞬態(tài)響應(yīng)的要求更加苛刻。實(shí)施Load-Line（LL）控制，有時也稱為有源電壓定位 (AVP)，可以幫助設(shè)計(jì)人員滿足以上需求。

了解直流Load-Line設(shè)計(jì)

Load line (LL)控制是指對電壓控制環(huán)路進(jìn)行修改，即降壓變換器的輸出電壓 (VOUT) 可根據(jù)負(fù)載電流進(jìn)行調(diào)節(jié)。 換言之，對于變化的負(fù)載值， VOUT 不再是恒定的，而是根據(jù)功率的需求而變化。調(diào)節(jié)后的輸出電壓可以通過公式 (1) 來計(jì)算：

其中 VOUT(NOM) 是無負(fù)載連接到電源時的最大 VOUT, IOUT 是負(fù)載電流， RLL 則是等效Load-Line阻抗（以 Ω 為單位）。

圖 1 顯示了與所有負(fù)載條件下 VOUT 恒定的傳統(tǒng)方法（用綠線表示）相比，Load-Line調(diào)節(jié)如何降低直流負(fù)載調(diào)整率（用藍(lán)線表示），并導(dǎo)致 VOUT 隨電流增加而下降。設(shè)計(jì)人員需注意，Load-Line帶來的電壓斜率仍需要滿足為微處理器供電的 VOUT 要求。這意味著在整個輸出電流范圍中， VOUT 必須落在指定的電壓限制范圍 (VMAX 和 VMIN) 之內(nèi)。

圖1: 帶直流Load Line的 VOUT 與固定 VOUT 方法的比較

Load-Line調(diào)節(jié)的主要目的是在負(fù)載電流較大時降低電壓，從而降低功耗和耗散損耗。這是它最常見的益處，實(shí)施Load-Line控制還有一個優(yōu)點(diǎn)，就是可以改善服務(wù)器的動態(tài)響應(yīng)。

服務(wù)器應(yīng)用電源通常都需要支持較大的負(fù)載瞬態(tài)。因?yàn)榉?wù)器應(yīng)用電源需要為存儲設(shè)備和 CPU 等負(fù)載供電，而這些負(fù)載的電源需求會根據(jù)它們正在執(zhí)行的任務(wù)不同而變化。例如，服務(wù)器電源提供遠(yuǎn)高于 100A 的電流階躍都是很常見的事。

圖 2 顯示了實(shí)施Load-Line控制前后的電源比較。由于存在電流階躍，沒有Load-Line的電源（用紫色線表示）在負(fù)載瞬變期間會出現(xiàn)較大的過沖和下沖。這些峰值超過最大或最小電壓限制都可能導(dǎo)致負(fù)載損壞并停止工作，但通過使用Load-Line（用藍(lán)色線表示）逐步調(diào)節(jié) VOUT，則可以消除這些峰值并改善瞬態(tài)響應(yīng)。

圖2: Load-Line對瞬態(tài)響應(yīng)的影響

盡管Load Line可以提高服務(wù)器性能和效率，但Load-Line的配置必須非常精確，因?yàn)樽儞Q器必須始終在設(shè)定的電壓限制范圍內(nèi)運(yùn)行。大多數(shù)通信標(biāo)準(zhǔn)都規(guī)定了理想的Load-Line值，但由于電路板材料和布局不同，這些值可能也需要相應(yīng)進(jìn)行調(diào)整。否則，在高功率運(yùn)行時，Load Line可能會將電壓拉至低于最低要求（參見圖 3）。

圖3: 非理想化Load-Line配置造成的故障

降低直流LOAD LINE的輸出電容 

我們將通過一個通用示例來演示Load Line控制的益處，該示例采用電源軌的典型處理器規(guī)格。其中，輸入電壓(VIN) 設(shè)置為 12V，輸出電流 (ITDC) 為 220A，輸出電壓 (VOUT) 為 1.8V，所有參數(shù)值都為服務(wù)器應(yīng)用中電壓軌的常用值。表 1 羅列了具體規(guī)格。

表1: 電源軌規(guī)格

表 2 所示為測試條件，包括輸出電容 (COUT), 開關(guān)頻率 (fSW)和相數(shù) (NPHASE)等。

表2: 測試參數(shù)

我們在該示例中采用了MPS的 MP2965。MP2965是一款雙路數(shù)字多相控制器，它支持Load-Line配置，并且可配置為最多 7 相工作。該器件可通過PMBus接口配置Load Line，但需要在 VDIFF 和 VFB 引腳之間連接一個下垂電阻 (RDROOP)，并采用內(nèi)部寄存器配置（參見圖 4）。

圖4: 控制器Load-Line內(nèi)部結(jié)構(gòu)

首先，設(shè)計(jì)人員需要觀察變換器不使用Load Line時的電壓調(diào)整率來確定采用Load Line的效果。我們對MP2965 施加 160A 的電流階躍來模擬CPU 負(fù)載。圖 5 顯示了變換器在沒有直流Load Line時的響應(yīng)。注意，電流瞬變期間出現(xiàn)較大的VOUT尖峰，帶來了205mV 的壓變，而這幾乎不能滿足表 1 提出的規(guī)格。

圖 5：沒有直流Load Line時，變換器對電流階躍的響應(yīng)

通過公式 1，我們可以設(shè)計(jì)一個 0.67mΩ 的Load Line來滿足最小 VOUT 規(guī)格。估算過程如下所示：

圖 6 顯示了采用直流Load Line后產(chǎn)生的瞬態(tài)響應(yīng)。

圖 6：采用直流Load Line后，變換器對電流階躍的響應(yīng)

通過采用直流Load Line， VOUT 完美保持在表 1 指定的電壓范圍之內(nèi)，電壓裕量約為允許范圍的 50%。充足的電壓裕量意味著還可以放寬某些設(shè)計(jì)約束，例如輸出電容，它也是降低輸出電壓峰值的關(guān)鍵要素之一。如表 2 所示，圖 5 和圖 6 中的電壓響應(yīng)是 4.7mF 總輸出電容的響應(yīng)，其中包含了60 個靠近 CPU 負(fù)載的 22μF MLCC 電容以及一些鋁電解電容。

MLCC 電容濾除電流瞬態(tài)響應(yīng)的高頻分量，而鋁電解電容則濾除低頻分量。鋁電解電容也稱為大容量電容，它們經(jīng)過專門設(shè)計(jì)，具有非常低的 ESR，但通常也是電路中最昂貴的電容。因此，減少大容量電容的使用可以降低總成本和BOM。

由于直流Load Line已經(jīng)降低了瞬態(tài)峰值，大容量電容對瞬態(tài)響應(yīng)的影響就變得不那么重要，這對大容量電容的 ESR 要求也隨之降低。因此，移除一些大容量電容不會對電路的瞬態(tài)響應(yīng)產(chǎn)生顯著影響。圖 7 顯示了將大容量電容降低 50%（從 6 x 470μF 到 3 x 470μF）之后的測試結(jié)果。

圖 7：采用直流Load Line并減少大容量電容后，變換器對電流階躍的響應(yīng)

為了同時增加正負(fù)尖峰的電壓裕量，我們在 VOUT端添加 40mV 的直流偏移。這樣可以將 VOUT 置于規(guī)格中定義的電壓范圍中心附近。

盡管采用較少大容量電容對電源的瞬態(tài)響應(yīng)沒有明顯影響，但卻降低了成本，而且縮小了占板空間。

采用Load Line的另一個優(yōu)勢是降低了 CPU 功耗。當(dāng) VOUT 設(shè)置為 1.8V/160A 時，負(fù)載功率為 288W。采用直流Load Line，并在最大電流下將 VOUT 降至 1.725 V，負(fù)載功率將變?yōu)?276W（如圖 7所示 ），這意味著凈功率節(jié)省了12W。

結(jié)論

服務(wù)器和計(jì)算應(yīng)用要求電源能夠處理電流的大瞬態(tài)變化，同時還要滿足嚴(yán)格的 VOUT 調(diào)整率要求。

本文利用 MP2965 數(shù)字控制器實(shí)現(xiàn)了 PMBus 可配置Load Line，并展示出Load Line控制的優(yōu)勢，例如提升效率和改善電源瞬態(tài)響應(yīng)性能。文中還解釋了采用直流Load Line如何最小化所需的大容量電容，從而使設(shè)計(jì)人員能夠降低總體成本并最大限度地縮小電路板空間，同時，仍然能夠滿足服務(wù)器應(yīng)用的規(guī)格要求。