概述
近年來，隨著因特網(wǎng)服務(wù)需求量的顯著增長，全球數(shù)據(jù)中心的電力消耗已經(jīng)成為一個重要的問題。數(shù)據(jù)中心可編排網(wǎng)頁、實現(xiàn)社會網(wǎng)絡(luò)和流媒體服務(wù)、提供音樂和視頻下載、提供互聯(lián)網(wǎng)訪問以及運行仿真。另外，它們還為銀行及其它金融業(yè)務(wù)的傳統(tǒng)和私人用戶提供了計算能力。數(shù)據(jù)中心常常占據(jù)多間房屋、多個樓層甚至整幢大樓，包含計算機、存儲和網(wǎng)絡(luò)設(shè)備。在 2000 年?2005 年間，數(shù)據(jù)中心的總用電量翻了一番 ── 從每年 700 億度增加到了 1400 億度，并繼續(xù)以 16.7% 的平均增長率逐年攀升，而亞太地區(qū) （不包括日本）是世界上僅有的一個遠遠超過該平均增長率的主要地區(qū)（資料來源：“Worldwide electricity used in data centers”，Jonathan Koomey 撰文，美國勞倫斯伯克力國家實驗室，2008 年）。
數(shù)據(jù)中心所采用的計算機 (常稱為服務(wù)器) 與 PC 架構(gòu)相似，具有一個 CPU、ASIC、FPGA 和存儲器。然而，與 PC 不同的是，數(shù)據(jù)中心里的服務(wù)器盡可能緊密地組合在一起且耗用大量的電力，因而產(chǎn)生了必須散逸的熱量。功率通過不間斷電源系統(tǒng) (UPS) 輸送至這些服務(wù)器，其后通常設(shè)有一個分布式電源系統(tǒng)和用于負載點 (POL) 供電的降壓型 DC/DC 轉(zhuǎn)換器。此類功率輸送方法的效率達不到 100%，而且會產(chǎn)生大量的熱量。必須謹慎和持續(xù)不斷地管理這些熱量，以使系統(tǒng)在其規(guī)定的工作溫度范圍內(nèi)運行。無論冷卻系統(tǒng)的類型和效率如何，都必須采取某種方法將熱量從數(shù)據(jù)中心去除。而要做到這一點，就必需使用額外的能量來運作冷卻設(shè)施。
據(jù)估計，由于低效率和冷卻系統(tǒng)所造成數(shù)據(jù)中心增加額外功耗與服務(wù)器、存儲和網(wǎng)絡(luò)設(shè)備所消耗的功率量大致相等。單臺 PC、工作站或筆記本電腦的用戶并不會把系統(tǒng)發(fā)熱看作一個問題，但對于數(shù)據(jù)中心而言，管理這種熱開銷的重要性絲毫不亞于服務(wù)器本身。如果降低了系統(tǒng)功率，那么可用開銷就能夠處理一個更大的 IT 負載并完成更多有用的工作，而功耗水平保持不變。
由于數(shù)據(jù)中心的功率需求持續(xù)增加，因此必需進行效率較高的功率轉(zhuǎn)換以減少被作為熱量而浪費掉的功率。智能型多相控制器技術(shù)是一種適合大電流 POL 應(yīng)用的絕佳解決方案。該架構(gòu)使得大電流穩(wěn)壓器能夠在滿負載條件下實現(xiàn)大大超過 90% 的效率。然而，此類設(shè)計大多數(shù)不滿足在輕負載到中等負載時實現(xiàn)較高效率的需求。節(jié)省輕負載至中等負載時浪費的電力與節(jié)省重負載時浪費的電力一樣重要。
大部分嵌入式系統(tǒng)通過 48V 背板來供電。這個電壓正常情況下被降至較低的 24V、12V 或 5V 中間總線電壓，用于向系統(tǒng)內(nèi)部的電路板支架供電。不過，要求這些電路板上的大多數(shù)子電路或 IC 在不到 1V?3.3V 的電壓范圍內(nèi)、以數(shù)十 mA 至數(shù)百 A 的電流工作。因此，要從 24V、12V 或 5V 電壓軌降至子電路或 IC 所需的電壓和電流值，POL DC/DC 轉(zhuǎn)換器是必不可少的。
顯然，人們希望在電壓不斷下降的情況下增加電流，這種日漸增長的需求將繼續(xù)推動電源產(chǎn)品的開發(fā)。這一領(lǐng)域的很多成果可以追溯到功率轉(zhuǎn)換技術(shù)領(lǐng)域中所取得的進步，特別是電源 IC 和功率半導(dǎo)體器件的改善。總體而言，這些組件對提高電源性能起到了很大作用，因為它們允許在對功率轉(zhuǎn)換效率影響最小的前提下提高開關(guān)效率。這是通過降低開關(guān)和接通狀態(tài)損耗，從而在提高效率的同時可允許高效地去除熱量。不過，向較低輸出電壓轉(zhuǎn)變給這些因素施加了更大的壓力，這反過來又導(dǎo)致了極大的設(shè)計挑戰(zhàn)。
多相拓撲結(jié)構(gòu)
多相運作是轉(zhuǎn)換拓撲結(jié)構(gòu)的一般性術(shù)語，在這類拓撲結(jié)構(gòu)中，由兩個或更多個轉(zhuǎn)換器處理單個輸入，而且這些轉(zhuǎn)換器相互同步但以不同和鎖定的相位運行。這種方法降低了輸入紋波電流、輸出紋波電壓以及總的 RFI (射頻干擾) 特征值，同時提供了單個大電流輸出或具完全穩(wěn)定輸出電壓的多個較低電流輸出。這種方法還允許使用較小的外部組件，從而造就效率較高的轉(zhuǎn)換器，并且提供了以更少的冷卻措施改善熱量管理這種附加的好處。
盡管一般而言，降壓型轉(zhuǎn)換器是更為普遍的應(yīng)用，但是多相拓撲結(jié)構(gòu)可以配置為降壓型、升壓型甚至正激式轉(zhuǎn)換器。如今，從 12VIN 至 1.xVOUT 的轉(zhuǎn)換效率高達 95% 是很普遍的。
在較高的功率電平條件下，可擴展型多相控制器運用輸入和輸出紋波電流抵消 (通過對多個并聯(lián)功率級的時鐘信號進行交錯處理而得以實現(xiàn)) 來縮減電容器和電感器的尺寸和成本。通過集成 PWM (脈寬調(diào)制) 電流模式控制器、真正的遠端采樣、可選的定相控制、固有的電流均分能力、大電流 MOSFET 驅(qū)動器、以及過壓和過流保護功能，多相轉(zhuǎn)換器有助于最大限度地減少外部組件數(shù)目和簡化整個電源設(shè)計。這簡化了制造過程
從而不僅有助于提高電源的可靠性，還使電源成為可擴展的。此類系統(tǒng)最多可擴展至 12 個相位，以提供高達 300A 的大電流輸出。
凌力爾特有多款多相DC/DC控制器，包括適合大電流POL轉(zhuǎn)換和單路輸出同步降壓型控制器。這些器件不僅能夠提升滿負載效率，而且還具備一種任選的“逐級遞減”(Stage SheddingTM) 功能，該功能可降低輕負載至中等負載時的功率損耗。圖1是一款典型應(yīng)用原理圖，該電路用于利用兩個相位從一個4.5V~14V 輸入電壓產(chǎn)生1.5V/50A 輸出。
圖 1：大輸出電流 1.5V/50A 應(yīng)用電路原理圖
凌力爾特的LTC3856 具有兩個通道，且使用多個IC能實現(xiàn)多達12個相位。而LTC3829 具有3個通道，當使用兩個IC時，能以多達6個相位運作。內(nèi)置的差分放大器負責(zé)提供對正和負終端的真正遠端輸出電壓采樣，從而實現(xiàn)了高準確度穩(wěn)壓，而不受走線、過孔和互連線中IR損耗的影響。
圖 2 中的電路采用 3 個相位從 6V~28V 輸入電壓產(chǎn)生一個 1.2V/75A 輸出。
圖 2：大輸出電流 1.2V/75A 應(yīng)用電路原理圖
額外的好處
這些控制器采用全N溝道MOSFET，在 4.5V~38V的輸入電壓范圍內(nèi)工作，并能產(chǎn)生0.6V~5V、準確度為±0.75%的輸出電壓。通過對輸出電流檢測，或通過使用一個檢測電阻器來監(jiān)視輸出電感器 (DCR) 兩端的壓降，以實現(xiàn)最高的效率。可編程 DCR 溫度補償在很寬的溫度范圍內(nèi)保持了準確的過流限制設(shè)定點。強大的內(nèi)置柵極驅(qū)動器最大限度地降低了MOSFET的開關(guān)損耗，并允許使用多個并聯(lián)連接的 MOSFET。固定工作頻率可設(shè)定為250kHz?770kHz，或者利用其內(nèi)部 PLL 同步至一個外部時鐘。僅為90ns的最短接通時間使LTC3729 和LTC3856 非常適用于高降壓比/高頻應(yīng)用。
逐級遞減操作
在輕負載條件下，與開關(guān)切換有關(guān)的功率損耗通常左右著一個開關(guān)穩(wěn)壓器的總損耗。在輕負載時消除一個或多個輸出級的柵極電荷和開關(guān)損耗將極大地提高效率。
逐級遞減操作模式允許在輕負載情況下關(guān)斷一個或多個相位，以降低與開關(guān)切換有關(guān)的損耗，而且這種操作模式通常在負載電流降至不到15A 時使用。總體效率可以提升13%之多，如圖3所示。這張圖還顯示了較早和可比較的LTC3729兩相控制器的效率。由于更強的柵極驅(qū)動和更短的死區(qū)時間，LTC3856能夠在整個負載范圍內(nèi)實現(xiàn)比LTC3729 約高3%至4%的效率。
圖 3：采用逐級遞減相位時LTC3856的效率曲線 (與較早的一款控制器做了對比)
當內(nèi)置反饋誤差放大器的輸出電壓達到用戶可編程電壓時，就觸發(fā)逐級遞減操作模式。在這個編程電壓上，該控制器關(guān)斷它的一個或多個相位，并阻止功率 MOSFET 的接通和斷開。這種能設(shè)置何時觸發(fā)逐級遞減操作模式的能力帶來了能決定何時進入這種操作模式的靈活性。圖 4 中顯示了 SW 波形以及 LTC3829 怎樣進入和退出逐級遞減操作模式。
圖 4：LTC3829 逐級遞減相位波形：(a) 進入逐級遞減操作模式，和 (b) 退出逐級遞減操作模式
LTC3856 和 LTC3829 能以 3 種模式中的任意一種來運作：突發(fā)模式 (Burst Mode®) 操作、強制連續(xù)模式或逐級遞減模式，所有這 3 種模式均可由用戶來選擇。在超過15A 的重負載條件下，這些器件以恒定頻率 PWM 模式運作。在負載非常輕的情況下，可以選擇突發(fā)模式操作，并將在負載電流不到 0.5A 時產(chǎn)生最高的效率。突發(fā)模式操作在一個周期至幾個周期的脈沖串之間切換，而由輸出電容器在內(nèi)部睡眠期間提供能量。
有源電壓定位
有源電壓定位 (AVP) 在階躍負載期間減小最大電壓偏離，并在較重負載時降低功耗，從而進一步提高效率。圖 5 示出了圖 1 中的電路在采用和未采用 AVP 時的工作特性差異。未采用 AVP 時，就一個 25A 階躍負載而言，最大電壓偏離為 108mV。而采用 AVP 時，對于同樣的 25A 階躍負載，最大電壓偏離則為 54mV。此外，當輸出電流從 25A 上升至 50A 時，輸出電壓將下降 54mV，結(jié)果負載消耗降低2.7W 功率。
圖 5：負載階躍特性 (a) 未采用有源電壓定位，和 (b) 采用有源電壓定位
結(jié)論
未來幾年，降低數(shù)據(jù)中心功耗的需求將成為一個主要焦點。就幾乎任何種類的系統(tǒng)而言，由于在一個給定機柜中受限的空間和冷卻以及在整個負載范圍內(nèi)需要高效率等多種限制條件，所以 POL DC/DC 轉(zhuǎn)換器的設(shè)計人員面臨著諸多挑戰(zhàn)。盡管必須克服大量的限制因素，很多近期推出的多相穩(wěn)壓器還是提供了簡單、緊湊和高效率的解決方案。通過邁向多元化的多相拓撲結(jié)構(gòu)，設(shè)計人員就能夠有效地節(jié)省空間、簡化布局、降低電容器紋波電流、改善可靠性并減少被作為熱量而白白浪費掉的功率。