使用數(shù)字多相控制器為數(shù)據(jù)中心提供支持

備注：此文章來源于MPS官方出品。

T服務(wù)的爆炸式增長正在推動(dòng)著數(shù)據(jù)中心、網(wǎng)絡(luò)和電信設(shè)備的重大發(fā)展。而創(chuàng)新需求也對(duì)處理這些日益增多的數(shù)據(jù)的服務(wù)器、存儲(chǔ)和網(wǎng)絡(luò)交換機(jī)產(chǎn)生了一定的影響。在此推動(dòng)下，基礎(chǔ)設(shè)施設(shè)備的處理能力和帶寬都達(dá)到了極限。對(duì)于電源設(shè)計(jì)人員來說，他們面對(duì)的主要挑戰(zhàn)是如何使用最少的電力高效地為數(shù)據(jù)中心設(shè)備供電，并提高它們的散熱性能。而針對(duì)先進(jìn)的 CPU/ASIC 和 FPGA 時(shí)，設(shè)計(jì)人員還必須平衡好功耗與散熱性能。

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(yīng)提高，以滿足新的數(shù)據(jù)中心設(shè)計(jì)要求。這種高處理能力需求主要集中在數(shù)據(jù)中心應(yīng)用中，數(shù)字中心采用高端 CPU/ASIC 和處理器來運(yùn)行服務(wù)器、存儲(chǔ)和網(wǎng)絡(luò)設(shè)備。服務(wù)器和網(wǎng)絡(luò)設(shè)備則通過電信設(shè)備分布至網(wǎng)絡(luò)，然后通過 CPU/ASIC 和 FPGA 的銷售點(diǎn)設(shè)備、臺(tái)式電腦和嵌入式計(jì)算系統(tǒng)進(jìn)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(fù)雜程度決定。 該行業(yè)通過在數(shù)字負(fù)載中集成低功率狀態(tài)來調(diào)整這種情況。此舉使得設(shè)備能在空閑時(shí)以更低電流運(yùn)行，在需要時(shí)再按全功率運(yùn)行。這有利于控制整個(gè)系統(tǒng)的功率預(yù)算，但會(huì)給全功率端的電源設(shè)計(jì)人員帶來另一項(xiàng)挑戰(zhàn)。首先，數(shù)據(jù)中心電源必須對(duì)需要在不到 1 微秒的時(shí)間內(nèi)實(shí)現(xiàn)超過 100A 的大階躍載荷做出響應(yīng)，同時(shí)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(zhuǎn)換，一般是從 12V 輸入轉(zhuǎn)換至 1V（或更低）輸出。 要提供如此大的負(fù)載電流，更簡單的方法是設(shè)計(jì)一個(gè)多相解決方案，將負(fù)載分配給多個(gè)更小的功率級(jí)（所謂的相），而不是嘗試使用單相來提供。在設(shè)計(jì)電磁和功率級(jí)，以及要從功耗的角度解決散熱問題時(shí)，想要通過單相提供太多電流是一項(xiàng)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(diǎn)。這與多核 CPU 類似，該 CPU 會(huì)拆分末端負(fù)載的工作負(fù)載。

對(duì)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(yīng)用時(shí)，模擬控制存在一定的缺陷。對(duì)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(gè)解決方案中，且電源解決方案和主 CPU/ASIC 之間的通信應(yīng)該是一項(xiàng)硬性設(shè)計(jì)要求。

因此，數(shù)字控制解決方案非常適合數(shù)據(jù)中心應(yīng)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(duì)比傳統(tǒng)模擬控制器

由于采用數(shù)字控制技術(shù)，僅需在封裝中配置一個(gè)單獨(dú)的引腳，MP2888A便可支持PWM-VID。 如果是采用模擬控制器，想要實(shí)現(xiàn)相同的功能，一般需要使用 4個(gè) 引腳并需要額外添加7 個(gè)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(shè)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(duì)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(gòu)建反饋補(bǔ)償環(huán)路。要優(yōu)化補(bǔ)償回路，需要進(jìn)行多次迭代來計(jì)算外部部件的正確值從而滿足多種工作條件。在測(cè)試和重新測(cè)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(fù)勞動(dòng)，使系統(tǒng)微調(diào)變得更加容易。

因?yàn)榫哂凶詣?dòng)環(huán)路補(bǔ)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(shè)置來輕松完成微調(diào)。還可以使用一個(gè)寄存器來正確設(shè)置公差范圍，由此輕松完成負(fù)載-線性校準(zhǔn)——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(gè)以上外部部件來進(jìn)行環(huán)路補(bǔ)償和負(fù)載-線性校準(zhǔn)（參見圖 2）。 模擬控制器。 (參見圖2).

圖 2: 負(fù)載-線性和環(huán)路補(bǔ)償（模擬控制器對(duì)比數(shù)字控制器）

數(shù)字控制器可以簡化系統(tǒng)設(shè)計(jì)。 對(duì)于工程師而言，可以幫助簡化 PCB 布局設(shè)計(jì)。 圖 3 為模擬控制器和數(shù)字控制器對(duì)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(fù)雜程度（模擬控制器對(duì)比數(shù)字控制器）

典型的模擬控制器使用一個(gè) PWM 信號(hào)來驅(qū)動(dòng)單個(gè)功率級(jí)。對(duì)于數(shù)據(jù)中心等高功率應(yīng)用，其處理器要求至少 500A 或更高的負(fù)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(gè)相位）
2. 使用倍相器，通過生成兩個(gè)交錯(cuò)并聯(lián)的信號(hào)（由原始信號(hào)構(gòu)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(huì)增加部件數(shù)量和成本，同時(shí)增高系統(tǒng)設(shè)計(jì)的復(fù)雜性。

與此相反，數(shù)字控制器（例如 MP2888A）可以通過一個(gè)通用 PWM 信號(hào)來驅(qū)動(dòng)兩個(gè)功率級(jí)?(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(gè)功率級(jí)之間的均流。因此，一個(gè) 10 相數(shù)字多相控制器堪比 20 相系統(tǒng)設(shè)計(jì)。

圖 4: MP2888A 采用一個(gè)常用 PWM 信號(hào)來驅(qū)動(dòng)兩個(gè)Intelli-PhaseTM設(shè)備

結(jié)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(yīng)用挑戰(zhàn)，例如數(shù)據(jù)中心此類應(yīng)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(fù)擔(dān)。這些控制解決方案縮短了整體設(shè)計(jì)和解決系統(tǒng)故障所需的時(shí)間，最終加快了上市速度。