在服务器电源中实现多相降压转换器的负载线控制

随着 5G 网络、云计算、物联网 (IoT) 和虚拟化的普及，IT 基础设施正在推动对高性能计算服务器的需求。

每一代新的服务器都需要更高的计算能力和效率，同时也增加了对功率的要求。确保服务器满足市场需求的关键方面之一是了解微处理器的电源对整个服务器的动态响应和效率的影响。这使工程师能够配置电源以获得最佳性能。

当涉及到瞬态响应要求时，服务器应用程序的要求特别高。为了满足这些要求，设计人员可以实施负载线控制，有时也称为有源电压定位 (AVP)。

了解直流负载线设计

负载线 (LL) 控制是指电压控制环路的修改，其中降压转换器的输出电压 (V OUT ) 可根据负载电流进行调整。换言之，V OUT对于所有负载值不再是恒定的，而是根据功率需求而变化。可以使用公式 1 计算调整后的输出电压：

V OUT = V OUT(NOM) – I OUT × R LL (1)

其中，V OUT(NOM)是无负载连接到电源时的最大 V OUT ，I OUT是负载电流，R LL是等效负载线阻抗(Ω)。

显示了与固定所有负载的VOUT的传统方法相比，实施负载线调节如何降低直流负载调节，导致 V线)。请注意，负载线产生的电压斜率仍必须设计为满足为微处理器供电的 V OUT要求。这意味着对于整个输出电流范围，V OUT必须落在指定的电压限制(V MAX和 V MIN )内。

实施负载线调节的主要原因是在负载电流很大时降低电压，从而降低功耗和耗散损耗。虽然这是一个经常讨论的好处，但实施负载线控制的另一个优点是它如何改进服务器的动态响应。

服务器应用中的电源通常必须支持大负载瞬态。这是因为服务器应用程序中的电源必须为存储设备和 CPU 等负载供电，这些负载的电源需求根据它们正在执行的任务而有所不同。例如，服务器电源提供远高于 100 A 的电流步数的情况并不少见。

显示了实施负载线之前和之后的电源。由于电流阶跃，没有负载线的电源在负载瞬态期间会出现较大的过冲和下冲。如果这些峰值超过最大或最小电压限制，则可能导致负载损坏并停止运行。通过使用负载线逐渐调整 V OUT ，可以消除这些峰值并改善瞬态响应。

虽然负载线提高了服务器性能和效率，但负载线配置必须非常准确，因为转换器必须始终在设定的电压限制内运行。大多数通信标准都指定了理想的负载线值，但由于电路板材料和布局不同，这些值可能需要调整。否则，负载线可能会在以高功率运行时将电压推至低于最低要求。

使用直流负载线降低输出电容

为了演示负载线控制的好处，我们创建了一个通用示例，其中包含电源轨的典型处理器规格。输入电压 (V IN ) 设置为 12 V，输出电流 (I TDC ) 为 220 A，输出电压 (V OUT ) 为 1.8 V——所有这些都是服务器应用中电压轨的通用值。

使用双回路、数字、多相控制器MP2965来实现此示例，因为它支持负载线配置并且可以配置为最多 7 相操作。PMBus 可配置负载线需要在 VDIFF 和 VFB 引脚之间连接一个下垂电阻器 (R DROOP )，以及内部寄存器配置。

首先，设计人员必须通过观察转换器不使用负载线时的电压调节来确定负载线的影响。对 MP2965 多相控制器施加 160-A 电流阶跃以模拟 CPU 负载。显示了转换器在没有直流负载线的情况下的响应。注意电流瞬变期间出现的大 V OUT尖峰。这意味着存在 205 mV 的电压变化，这几乎不在表 1 中所示的规格范围内。

使用公式 1，0.67 mΩ 的负载线被设计为满足最小 V OUT规范，由公式 2 估算。

V OUT = V ID – I OUT × R LL → R LL = V OUT(NOM) – V OUT(MIN) /I OUT(MAX) = 108 mV/160 A = 0.675 mΩ (2)

通过实施直流负载线，V OUT可以很好地保持在表 1 中指定的电压范围内，电压裕量约为允许范围的 50%。这种增加的电压裕度还意味着可以放宽某些设计约束，例如输出电容，这是用于降低输出电压峰值的关键要素之一。如表 2 所示，图 5 和图 6 所示的电压响应指的是 4.7 mF 的总输出电容，由 60 个靠近 CPU 负载的 22-μF MLCC 电容器以及一些铝电解电容器组成。

MLCC 电容滤除电流瞬态响应的高频分量，而铝电解电容滤除低频分量。这些称为大容量电容器的铝电容器经过专门设计，具有非常低的等效串联电阻 (ESR)，这意味着它们通常是电路中最昂贵的电容器。因此，使用更少的大容量电容器可以降低总体成本和 BOM。

由于实施直流负载线已经降低了瞬态峰值，大容量电容对于瞬态响应变得不那么重要，并且大容量电容器的 ESR 要求也降低了。因此，可以移除一些大容量电容器，而不会对电路的瞬态响应产生显着影响。显示了将体电容降低 50%(从 6 x 470 µF 到 3 x 470 µF)后的结果。

为了增加正负尖峰的电压裕度，在 V OUT中添加了 40mV 直流偏移。这将 V OUT置于规范定义的电压范围的中心附近。

尽管大容量电容器较少，但电源的瞬态响应没有明显变化。然而，这仍然提供了降低成本和电路板空间的优势。

负载线的另一个好处是降低了 CPU 功耗。当 V OUT在 160 A 时设置为 1.8 V 时，负载功率为 288 W。通过实施直流负载线并在最大电流下将 V OUT降低到 1.725，图 7 中的负载功率为 276 W，表示净功率节省 12 W。

负载线控制的好处

服务器和计算应用要求电源能够处理电流的大而突然的变化，同时满足严格的 V OUT调节要求。

本文使用数字控制器实现 PMBus 可配置负载线，展示了负载线控制的好处，例如提高效率和改善电源瞬态响应性能。该文章还解释了实施直流负载线如何降低所需的最小大容量电容，从而使设计人员能够降低总体成本并最大限度地减少电路板空间，同时仍然满足服务器应用的规范。