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[经验] 多相稳压器提供高效率解决方案

2019-5-13 14:11:38  215 稳压器 转换器
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作者:Bruce Haug
凌力尔特电源产品高级产品市场工程师


概述

近年来,随着因特网服务需求量的显著增长,全球数据中心的电力消耗已经成为一个重要的问题。数据中心可编排网页、实现社会网络和流媒体服务、提供音乐和视频下载、提供互联网访问以及运行仿真。另外,它们还为银行及其它金融业务的传统和私人用户提供了计算能力。数据中心常常占据多间房屋、多个楼层甚至整幢大楼,包含计算机存储和网络设备。在 2000 年~2005 年间,数据中心的总用电量翻了一番 ── 从每年 700 亿度增加到了 1400 亿度,并继续以 16.7% 的平均增长率逐年攀升,而亚太地区 (不包括日本)是世界上仅有的一个远远超过该平均增长率的主要地区(资料来源:“Worldwide electricity used in data centers”,Jonathan Koomey 撰文,美国劳伦斯伯克力国家实验室,2008 年)。

数据中心所采用的计算机 (常称为服务器) 与 PC 架构相似,具有一个 CPU、ASIC、FPGA存储器。然而,与 PC 不同的是,数据中心里的服务器尽可能紧密地组合在一起且耗用大量的电力,因而产生了必须散逸的热量。功率通过不间断电源系统 (UPS) 输送至这些服务器,其后通常设有一个分布式电源系统和用于负载点 (POL) 供电的降压型 DC/DC 转换器。此类功率输送方法的效率达不到 100%,而且会产生大量的热量。必须谨慎和持续不断地管理这些热量,以使系统在其规定的工作温度范围内运行。无论冷却系统的类型和效率如何,都必须采取某种方法将热量从数据中心去除。而要做到这一点,就必需使用额外的能量来运作冷却设施。

据估计,由于低效率和冷却系统所造成数据中心增加额外功耗与服务器、存储和网络设备所消耗的功率量大致相等。单台 PC、工作站或笔记本电脑的用户并不会把系统发热看作一个问题,但对于数据中心而言,管理这种热开销的重要性丝毫不亚于服务器本身。如果降低了系统功率,那么可用开销就能够处理一个更大的 IT 负载并完成更多有用的工作,而功耗水平保持不变。

由于数据中心的功率需求持续增加,因此必需进行效率较高的功率转换以减少被作为热量而浪费掉的功率。智能型多相控制器技术是一种适合大电流 POL 应用的绝佳解决方案。该架构使得大电流稳压器能够在满负载条件下实现大大超过 90% 的效率。然而,此类设计大多数不满足在轻负载到中等负载时实现较高效率的需求。节省轻负载至中等负载时浪费的电力与节省重负载时浪费的电力一样重要。

大部分嵌入式系统通过 48V 背板来供电。这个电压正常情况下被降至较低的 24V、12V 或 5V 中间总线电压,用于向系统内部的电路板支架供电。不过,要求这些电路板上的大多数子电路或 IC 在不到 1V~3.3V 的电压范围内、以数十 mA 至数百 A 的电流工作。因此,要从 24V、12V 或 5V 电压轨降至子电路或 IC 所需的电压和电流值,POL DC/DC 转换器是必不可少的。

显然,人们希望在电压不断下降的情况下增加电流,这种日渐增长的需求将继续推动电源产品的开发。这一领域的很多成果可以追溯到功率转换技术领域中所取得的进步,特别是电源 IC 和功率半导体器件的改善。总体而言,这些组件对提高电源性能起到了很大作用,因为它们允许在对功率转换效率影响最小的前提下提高开关效率。这是通过降低开关和接通状态损耗,从而在提高效率的同时可允许高效地去除热量。不过,向较低输出电压转变给这些因素施加了更大的压力,这反过来又导致了极大的设计挑战。






多相拓扑结构

多相运作是转换拓扑结构的一般性术语,在这类拓扑结构中,由两个或更多个转换器处理单个输入,而且这些转换器相互同步但以不同和锁定的相位运行。这种方法降低了输入纹波电流、输出纹波电压以及总的 RFI (射频干扰) 特征值,同时提供了单个大电流输出或具完全稳定输出电压的多个较低电流输出。这种方法还允许使用较小的外部组件,从而造就效率较高的转换器,并且提供了以更少的冷却措施改善热量管理这种附加的好处。

尽管一般而言,降压型转换器是更为普遍的应用,但是多相拓扑结构可以配置为降压型、升压型甚至正激式转换器。如今,从 12VIN 至 1.xVOUT 的转换效率高达 95% 是很普遍的。

在较高的功率电平条件下,可扩展型多相控制器运用输入和输出纹波电流抵消 (通过对多个并联功率级的时钟信号进行交错处理而得以实现) 来缩减电容器和电感器的尺寸和成本。通过集成 PWM (脉宽调制) 电流模式控制器、真正的远端采样、可选的定相控制、固有的电流均分能力、大电流 MOSFET 驱动器、以及过压和过流保护功能,多相转换器有助于最大限度地减少外部组件数目和简化整个电源设计。这简化了制造过程,从而不仅有助于提高电源的可靠性,还使电源成为可扩展的。此类系统最多可扩展至 12 个相位,以提供高达 300A 的大电流输出。

凌力尔特有多款多相DC/DC控制器,包括适合大电流POL转换和单路输出同步降压型控制器。这些器件不仅能够提升满负载效率,而且还具备一种任选的“逐级递减”(Stage SheddingTM) 功能,该功能可降低轻负载至中等负载时的功率损耗。图1是一款典型应用原理图,该电路用于利用两个相位从一个4.5V~14V 输入电压产生1.5V/50A 输出。




图1.大输出电流 1.5V/50A 应用电路原理图



凌力尔特的LTC3856 具有两个通道,且使用多个IC能实现多达12个相位。而LTC3829 具有3个通道,当使用两个IC时,能以多达6个相位运作。内置的差分放大器负责提供对正和负终端的真正远端输出电压采样,从而实现了高准确度稳压,而不受走线、过孔和互连线中IR损耗的影响。

图2中的电路采用3个相位从 6V~28V 输入电压产生一个 1.2V/75A 输出。




图2.大输出电流 1.2V/75A 应用电路原理图


额外的好处

这些控制器采用全N沟道MOSFET,在 4.5V~38V的输入电压范围内工作,并能产生0.6V~5V、准确度为±0.75%的输出电压。通过对输出电流检测,或通过使用一个检测电阻器来监视输出电感器 (DCR) 两端的压降,以实现最高的效率。可编程 DCR 温度补偿在很宽的温度范围内保持了准确的过流限制设定点。强大的内置栅极驱动器最大限度地降低了MOSFET的开关损耗,并允许使用多个并联连接的 MOSFET。固定工作频率可设定为250kHz~770kHz,或者利用其内部 PLL 同步至一个外部时钟。仅为90ns的最短接通时间使LTC3729 和LTC3856 非常适用于高降压比/高频应用。







逐级递减操作

在轻负载条件下,与开关切换有关的功率损耗通常左右着一个开关稳压器的总损耗。在轻负载时消除一个或多个输出级的栅极电荷和开关损耗将极大地提高效率。

逐级递减操作模式允许在轻负载情况下关断一个或多个相位,以降低与开关切换有关的损耗,而且这种操作模式通常在负载电流降至不到15A 时使用。总体效率可以提升13%之多,如图3所示。这张图还显示了较早和可比较的LTC3729两相控制器的效率。由于更强的栅极驱动和更短的死区时间,LTC3856能够在整个负载范围内实现比LTC3729 约高3%至4%的效率。




图3.采用逐级递减相位时LTC3856的效率曲线 (与较早的一款控制器做了对比)


当内置反馈误差放大器的输出电压达到用户可编程电压时,就触发逐级递减操作模式。在这个编程电压上,该控制器关断它的一个或多个相位,并阻止功率 MOSFET 的接通和断开。这种能设置何时触发逐级递减操作模式的能力带来了能决定何时进入这种操作模式的灵活性。图 4 中显示了 SW 波形以及 LTC3829 怎样进入和退出逐级递减操作模式。




图4.LTC3829逐级递减相位波形:(a)进入逐级递减操作模式,和(b)退出逐级递减操作模式



LTC3856 和 LTC3829 能以 3 种模式中的任意一种来运作:突发模式 (Burst Mode) 操作、强制连续模式或逐级递减模式,所有这 3 种模式均可由用户来选择。在超过15A 的重负载条件下,这些器件以恒定频率 PWM 模式运作。在负载非常轻的情况下,可以选择突发模式操作,并将在负载电流不到 0.5A 时产生最高的效率。突发模式操作在一个周期至几个周期的脉冲串之间切换,而由输出电容器在内部睡眠期间提供能量。

有源电压定位

有源电压定位 (AVP) 在阶跃负载期间减小最大电压偏离,并在较重负载时降低功耗,从而进一步提高效率。图 5 示出了图 1 中的电路在采用和未采用 AVP 时的工作特性差异。未采用 AVP 时,就一个 25A 阶跃负载而言,最大电压偏离为 108mV。而采用 AVP 时,对于同样的 25A 阶跃负载,最大电压偏离则为 54mV。此外,当输出电流从 25A 上升至 50A 时,输出电压将下降 54mV,结果负载消耗降低2.7W 功率。




图5.负载阶跃特性(a)未采用有源电压定位,和(b)采用有源电压定位


结论

未来几年,降低数据中心功耗的需求将成为一个主要焦点。就几乎任何种类的系统而言,由于在一个给定机柜中受限的空间和冷却以及在整个负载范围内需要高效率等多种限制条件,所以 POL DC/DC 转换器的设计人员面临着诸多挑战。尽管必须克服大量的限制因素,很多近期推出的多相稳压器还是提供了简单、紧凑和高效率的解决方案。通过迈向多元化的多相拓扑结构,设计人员就能够有效地节省空间、简化布局、降低电容器纹波电流、改善可靠性并减少被作为热量而白白浪费掉的功率。

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