实现多相降压转换器的负载线控制

[导读]每一代新服务器都需要更高的计算能力和效率，同时也增加了功耗要求。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。这使得工程师能够配置电源以获得最佳性能。

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。

每一代新服务器都需要更高的计算能力和效率，同时也增加了功耗要求。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。这使得工程师能够配置电源以获得最佳性能。

服务器应用程序在瞬态响应要求方面的要求尤其严格。为了满足这些要求，设计人员可以实现负载线控制，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) 控制是指对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节。换句话说，V OUT对于所有负载值不再恒定，而是根据功率需求而变化。调整后的输出电压可使用公式 1 计算：

V输出= V输出(标称值) – I输出× R LL (1)

其中，V OUT(NOM)是电源无负载时的最大 V OUT ，I OUT是负载电流，R LL是等效负载线阻抗(以 Ω 为单位)。

图 1显示了与固定所有负载的V OUT的传统方法(用绿线表示)相比，实施负载线调节如何降低直流负载调节(用蓝线表示)，导致 V OUT随着电流的增加而下降。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。

图 1该图显示了使用直流负载线的V OUT与固定 V OUT方法的比较。

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，从而减少功耗和耗散损耗。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提高服务器的动态响应。

服务器应用中的电源通常必须支持大负载瞬变。这是因为服务器应用中的电源必须为存储设备和 CPU 等负载供电，这些负载的电源要求根据它们正在执行的任务而变化。例如，服务器电源提供远高于 100 A 的电流的情况并不少见。

图 2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(用紫色线表示)在负载瞬变期间会经历较大的过冲和下冲。如果这些峰值超过最大或最小电压限制，可能会导致负载损坏并停止运行。通过使用负载线(用蓝线表示)逐渐调整 V OUT ，可以消除这些峰值并改善瞬态响应。

图 2实施负载线之前和之后的电源比较突出显示了对瞬态响应的影响。

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的不同，这些值可能需要调整。否则，在高功率运行时，负载线可能会将电压推至最低要求以下(图 3)。

图 3这是由次优负载线配置引起的错误的视图。

通过直流负载线减少输出电容

为了演示负载线控制的优势，使用电源轨的典型处理器规格创建了一个通用示例。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。表 1显示了规格。

表 1电源轨规格。

表 2显示了输出电容 (C OUT )、开关频率 (f SW ) 和相数 (N PHASE )等测试条件。

表2测试参数。资料来源：Monolithic Power Systems (MPS)

使用双环路数字多相控制器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(图 4)

图 4以下是基于控制器的负载线内部结构。

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。将 160A 电流阶跃应用于 MP2965 多相控制器以模拟 CPU 负载。图 5显示了没有直流负载线时转换器的响应。请注意电流瞬变期间出现的大 V OUT尖峰。这意味着电压变化为 205 mV，刚好在表 1 所示的规格范围内。

图 5转换器对电流阶跃的响应没有直流负载线。

使用公式 1，设计了 0.67 mΩ 的负载线，以满足通过公式 2 估算的最小 V OUT规格。

V OUT = V ID – I OUT × R LL → R LL = V OUT(标称值) – V OUT(最小值) /I OUT(最大值) = 108 mV/160 A = 0.675 mΩ (2)

图 6显示了实施直流负载线后产生的瞬态响应。

图 6转换器对电流阶跃的响应采用直流负载线。

通过实施直流负载线，V OUT很好地保持在表 1 中指定的电压范围内，电压裕度约为允许范围的 50%。电压裕度的增加还意味着可以放宽某些设计限制，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 中所示的电压响应涉及 4.7 mF 的总输出电容，由靠近 CPU 负载放置的 60 个 22 μF MLCC 电容器以及一些铝电解电容器组成。

MLCC 电容器滤除电流瞬态响应的高频分量，而铝电解电容器则滤除低频分量。这些铝电容器称为大容量电容器，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，使用较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，因此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，可以去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。图 7显示了将大容量电容减少 50%(从 6 x 470 µF 减少到 3 x 470 µF)后的结果。