多相DC/DC轉換器在整個負載范圍內提供高效率

概述
近年來，隨著因特網服務需求量的顯著增長，全球數(shù)據(jù)中心的電力消耗已經成為一個重要的問題。數(shù)據(jù)中心可編排網頁、實現(xiàn)社會網絡和流媒體服務、提供音樂和視頻下載、提供互聯(lián)網訪問以及運行仿真。另外，它們還為銀行及其他金融業(yè)務的傳統(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、存儲和網絡設備。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 (常稱為服務器) 與 PC 架構相似，具有一個 CPU、ASIC、FPGA 和存儲器。然而，與 PC 不同的是，數(shù)據(jù)中心里的服務器盡可能緊密地組合在一起且耗用大量的電力，因而產生了必須散逸的熱量。功率通過不間斷電源系統(tǒng) (UPS) 輸送至這些服務器，其后通常設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 轉換器。此類功率輸送方法的效率達不到 100%，而且會產生大量的熱量。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器、存儲和網絡設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是一種適合大電流 POL 應用的絕佳解決方案。該架構使得大電流穩(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、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)推動電源產品的開發(fā)。這一領域的很多成果可以追溯到功率轉換技術領域中所取得的進步，特別是電源 IC 和功率半導體器件的改善?？傮w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換效率影響最小的前提下提高開關效率。這是通過降低開關和接通狀態(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，向較低輸出電壓轉變給這些因素施加了更大的壓力，這反過來又導致了極大的設計挑戰(zhàn)。

多相拓撲結構
多相運作是轉換拓撲結構的一般性術語，在這類拓撲結構中，由兩個或更多個轉換器處理單個輸入，而且這些轉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，降壓型轉換器是更為普遍的應用，但是多相拓撲結構可以配置為降壓型、升壓型甚至正激式轉換器。如今，從 12V_IN至 1.xV_OUT的轉換效率高達 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 驅動器、以及過壓和過流保護功能，多相轉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。

凌力爾特公司擁有好幾款多相 DC/DC 控制器，包括適合大電流 POL 轉換的 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載效率，而且還具備一種任選的“逐級遞減”(Stage Shedding^TM) 功能，該功能可降低輕負載至中等負載時的功率損耗。圖 1 中的電路示出了 LTC3856 的一款典型應用原理圖，該電路用于利用兩個相位從一個 4.5V~14V 輸入電壓產生 1.5V/50A 輸出。

圖 1：大輸出電流 1.5V/50A 應用電路原理圖

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

圖 2：大輸出電流 1.2V/75A 應用電路原理圖

LTC3856 具有兩個通道，且使用多個 IC 能實現(xiàn)多達 12 個相位。LTC3829 具有 3 個通道，當使用兩個 IC 時，能以多達 6 個相位運作。內置的差分放大器負責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。

額外的好處
這些控制器采用全 N 溝道 MOSFET，在 4.5V~38V 的輸入電壓范圍內工作，并能產生 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?？删幊?DCR 溫度補償在很寬的溫度范圍內保持了準確的過流限制設定點。強大的內置柵極驅動器最大限度地降低了 MOSFET 的開關損耗，并允許使用多個并聯(lián)連接的 MOSFET。固定工作頻率可設定為 250kHz 至 770kHz，或者利用其內部 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 / 高頻應用。

逐級遞減操作
在輕負載條件下，與開關切換有關的功率損耗通常左右著一個開關穩(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斷一個或多個相位，以降低與開關切換有關的損耗，而且這種操作模式通常在負載電流降至不到 15A 時使用?？傮w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。由于更強的柵極驅動和更短的死區(qū)時間，LTC3856 能夠在整個負載范圍內實現(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部睡眠期間提供能量。

有源電壓定位
LTC3856 和 LTC3829 還具備有源電壓定位 (AVP) 功能，該功能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，從而進一步提高了其效率。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