多相 DC/DC 轉(zhuǎn)換器在整個(gè)負(fù)載范圍內(nèi)提供了高效率

概述
近年來，隨著因特網(wǎng)服務(wù)需求量的顯著增長(zhǎng)，全球數(shù)據(jù)中心的電力消耗已經(jīng)成為一個(gè)重要的問題。數(shù)據(jù)中心可編排網(wǎng)頁(yè)、實(shí)現(xiàn)社會(huì)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(yùn)行仿真。另外，它們還為銀行及其他金融業(yè)務(wù)的傳統(tǒng)和私人用戶提供了計(jì)算能力。數(shù)據(jù)中心常常占據(jù)多間房屋、多個(gè)樓層甚至整幢大樓，包含計(jì)算機(jī)、存儲(chǔ)和網(wǎng)絡(luò)設(shè)備。在 2000 年至 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(zhǎng)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(gè)遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過該平均增長(zhǎng)率的主要地區(qū) [資料來源：“Worldwide electricity used in data centers”，Jonathan Koomey 撰文，美國(guó)勞倫斯伯克力國(guó)家實(shí)驗(yàn)室，2008 年]。

數(shù)據(jù)中心所采用的計(jì)算機(jī) (常稱為服務(wù)器) 與 PC 架構(gòu)相似，具有一個(gè) CPU、ASIC、FPGA 和存儲(chǔ)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(gè)分布式電源系統(tǒng)和用于負(fù)載點(diǎn) (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(dá)不到 100%，而且會(huì)產(chǎn)生大量的熱量。必須謹(jǐn)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(yùn)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(diǎn)，就必需使用額外的能量來運(yùn)作冷卻設(shè)施。

據(jù)估計(jì)，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(chǔ)和網(wǎng)絡(luò)設(shè)備所消耗的功率量大致相等。單臺(tái) PC、工作站或筆記本電腦的用戶并不會(huì)把系統(tǒng)發(fā)熱看作一個(gè)問題，但對(duì)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(gè)更大的 IT 負(fù)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(jìn)行效率較高的功率轉(zhuǎn)換以減少被作為熱量而浪費(fèi)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(fù)載條件下實(shí)現(xiàn)大大超過 90% 的效率。然而，此類設(shè)計(jì)大多數(shù)不滿足在輕負(fù)載到中等負(fù)載時(shí)實(shí)現(xiàn)較高效率的需求。節(jié)省輕負(fù)載至中等負(fù)載時(shí)浪費(fèi)的電力與節(jié)省重負(fù)載時(shí)浪費(fèi)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(gè)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 至 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(zhǎng)的需求將繼續(xù)推動(dòng)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(jìn)步，特別是電源 IC 和功率半導(dǎo)體器件的改善?？傮w而言，這些組件對(duì)提高電源性能起到了很大作用，因?yàn)樗鼈冊(cè)试S在對(duì)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(shí)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(jì)挑戰(zhàn)。

多相拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)
多相運(yùn)作是轉(zhuǎn)換拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)的一般性術(shù)語(yǔ)，在這類拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)中，由兩個(gè)或更多個(gè)轉(zhuǎn)換器處理單個(gè)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(yùn)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(shí)提供了單個(gè)大電流輸出或具完全穩(wěn)定輸出電壓的多個(gè)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?fù)浣Y(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 12V_IN 至 1.xV_OUT 的轉(zhuǎn)換效率高達(dá) 95% 是很普遍的。

在較高的功率電平條件下，可擴(kuò)展型多相控制器運(yùn)用輸入和輸出紋波電流抵消 (通過對(duì)多個(gè)并聯(lián)功率級(jí)的時(shí)鐘信號(hào)進(jìn)行交錯(cuò)處理而得以實(shí)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(yuǎn)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(dòng)器、以及過壓和過流保護(hù)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(jiǎn)化整個(gè)電源設(shè)計(jì)。這簡(jiǎn)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(kuò)展的。此類系統(tǒng)最多可擴(kuò)展至 12 個(gè)相位，以提供高達(dá) 300A 的大電流輸出。

凌力爾特公司擁有好幾款多相 DC/DC 控制器，包括適合大電流 POL 轉(zhuǎn)換的 LTC3856 和 LTC3829 單路輸出同步降壓型控制器。這些器件不僅能夠提升滿負(fù)載效率，而且還具備一種任選的“逐級(jí)遞減”(Stage Shedding^TM) 功能，該功能可降低輕負(fù)載至中等負(fù)載時(shí)的功率損耗。圖 1 中的電路示出了 LTC3856 的一款典型應(yīng)用原理圖，該電路用于利用兩個(gè)相位從一個(gè) 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

圖 2 中的電路顯示了一款典型的 LTC3829 應(yīng)用原理圖，該電路采用 3 個(gè)相位從 6V~28V 輸入電壓產(chǎn)生一個(gè) 1.2V/75A 輸出。