更高的能源效率已成為計(jì)算機(jī)服務(wù)器和高性能網(wǎng)絡(luò)設(shè)備的關(guān)鍵要求。冷卻這些系統(tǒng)的成本現(xiàn)在是它們的生命周期成本以及它們自身的能源使用的主要因素。此類系統(tǒng)依賴于先進(jìn)的微處理器，在高性能計(jì)算應(yīng)用程序中，還依賴于每秒能夠進(jìn)行數(shù)十億次浮點(diǎn)運(yùn)算的通用圖形處理單元 （GPGPU）。這些處理器通常密集封裝以最大限度地提高空間效率，并且每個(gè)處理器在以峰值速度運(yùn)行時(shí)可能具有超過 100 W 的功率需求。因此，在苛刻的條件下，功率轉(zhuǎn)換的熱效率至關(guān)重要。

　　為了最大限度地減少跨服務(wù)器或交換機(jī)背板的配電損耗，這些系統(tǒng)通常設(shè)計(jì)為使用至少 12 V 的相對較高的中間電壓。然后使用負(fù)載點(diǎn) （POL） 轉(zhuǎn)換器來提供低電壓– 通常約為 1 V – 這些設(shè)備所需的電壓。這通常導(dǎo)致需要高峰值電流值來處理處理器將在接近其熱包絡(luò)線的情況下運(yùn)行的短暫時(shí)間。

　　傳統(tǒng)上，POL 轉(zhuǎn)換器的設(shè)計(jì)是為了在高負(fù)載下實(shí)現(xiàn)最高效率，因?yàn)檫@是過熱可能最具破壞性的地方。目前使用的大多數(shù) POL 轉(zhuǎn)換器在滿載時(shí)保證超過 90% 的效率。在密集的服務(wù)器中，這種效率至關(guān)重要，因?yàn)樗_保標(biāo)準(zhǔn)空氣冷卻能夠足夠快地散熱，以防止系統(tǒng)過熱和處理器過熱關(guān)閉的風(fēng)險(xiǎn)。在現(xiàn)代基于互聯(lián)網(wǎng)的環(huán)境中，由于處理器突然關(guān)閉而丟失交易和請求會迅速損害收入和聲譽(yù)。

　　然而，由于系統(tǒng)很少有超過一小部分的處理器以滿負(fù)荷運(yùn)行，因此在需要強(qiáng)制空氣冷卻時(shí)可能會損失大量能量。由于傳統(tǒng) POL 轉(zhuǎn)換器的效率會隨著負(fù)載的減少而下降，因此更大比例的冷卻需要用于供電基礎(chǔ)設(shè)施，而不是處理器本身。如果可以使 POL 轉(zhuǎn)換器更高效，則可以縮減對強(qiáng)制空氣冷卻的需求，從而不僅可以節(jié)省服務(wù)器本身的費(fèi)用，還可以節(jié)省周圍的空調(diào)費(fèi)用。

　　功率轉(zhuǎn)換技術(shù)取得了進(jìn)步，主要集中在每個(gè) POL 轉(zhuǎn)換器占用的電路板面積問題上。一種趨勢是提高開關(guān)頻率以降低峰值電流需求，這有助于將電容器等無源元件的尺寸保持在最低限度。但是，可以將開關(guān)頻率推到多高是有限制的，尤其是在頻率影響更大的大電流系統(tǒng)中。通常，在轉(zhuǎn)換期間，控制開關(guān)的開關(guān)損耗與輸出電流乘以所提供的能量和開關(guān)周期本身成正比。

　　越來越多的 POL IC 設(shè)計(jì)人員追求的解決方案是讓一個(gè)輸入由多個(gè)轉(zhuǎn)換器處理。轉(zhuǎn)換器彼此同步運(yùn)行，但使用不同的相位。多相轉(zhuǎn)換器中的振蕩器是同步的，因此每個(gè)相位都以相同的頻率 （f） 驅(qū)動(dòng)，但相位偏移 360°/N，其中 N 是整個(gè)轉(zhuǎn)換器中的相數(shù)。每個(gè)單獨(dú)降壓相位的輸出與其他相位并聯(lián)，使得紋波頻率為 Nf 而不是 f。

　　圖 1：三相情況下的通道輸入電流和輸入電容器電流。

　　多相的使用意味著核心轉(zhuǎn)換拓?fù)湓诓豢s短開關(guān)周期的情況下保持了高頻操作的優(yōu)勢，并且具有降低過紋波電流的好處，因?yàn)殡娏髅}沖之間的間隙比單相的短得多。轉(zhuǎn)換拓?fù)?。這也改善了電磁干擾 （EMI） 特征，因?yàn)檗D(zhuǎn)換器內(nèi)的電流變化率低于傳統(tǒng)方法。

　　對于多相或多相轉(zhuǎn)換器，有效工作頻率實(shí)際上是基本開關(guān)頻率乘以相數(shù)。結(jié)果，瞬態(tài)響應(yīng)得到改善，這對于高級處理器來說很重要，因?yàn)楣β市枨罂梢栽诤苌俚?a href="http://www.brongaenegriffin.com/tags/時(shí)鐘/" target="_blank">時(shí)鐘周期內(nèi)發(fā)生變化。

　　多相降壓轉(zhuǎn)換器拓?fù)渚哂懈喾庋b優(yōu)勢。每個(gè)通道都以可比單相降壓轉(zhuǎn)換器的一小部分轉(zhuǎn)換功率，從而減小了設(shè)計(jì)中使用的電感器和功率 MOSFET 的尺寸。較小的功率 MOSFET 可降低動(dòng)態(tài)損耗，因?yàn)樗鼈兙哂休^小的寄生電容。同樣，由于紋波電流減小，電容器的損耗也更低。

　　圖 2：一系列不同多相選項(xiàng)的紋波電流與占空比的關(guān)系。

　　在峰值需求時(shí)，轉(zhuǎn)換器中的所有相位都處于活動(dòng)狀態(tài)。然而，隨著處理器速度變慢并且其功率需求下降，轉(zhuǎn)換器可以關(guān)閉一個(gè)或多個(gè)相位，從整體能量需求中消除該相位的開關(guān)損耗。結(jié)果是一個(gè) POL 轉(zhuǎn)換器對負(fù)載的需求做出動(dòng)態(tài)反應(yīng)。相位控制可以分配給本地微處理器或使用 PMBus 信號的板級電源控制器。PMBus 命令可讓中央電源管理器打開或關(guān)閉相位。

　　多相轉(zhuǎn)換器通過集成 PWM（脈寬調(diào)制）電流模式控制器、遠(yuǎn)程感應(yīng)、可選相位控制、固有電流共享能力、大電流 MOSFET 驅(qū)動(dòng)器以及過壓和過流保護(hù)，幫助最大限度地減少外部組件數(shù)量并簡化整個(gè)電源設(shè)計(jì)特征。在更高的功率水平下，可擴(kuò)展的多相控制器減小了電容器和電感器的尺寸和成本。

　　為了在定制設(shè)計(jì)中提供對多相轉(zhuǎn)換的控制，Intersil 的 ISL6364A具有專為低壓處理器和 GPU 設(shè)計(jì)的雙 PWM 輸出。它有一個(gè)四相PWM來控制微處理器內(nèi)核或存儲器電壓調(diào)節(jié)器。它的第二個(gè) PWM 控制器是單相設(shè)計(jì)，用于控制 I/O 的外圍電壓調(diào)節(jié)器。該器件使用 Intersil 專有的增強(qiáng)型主動(dòng)脈沖定位 （EAPP） 調(diào)制方案，以比標(biāo)準(zhǔn)設(shè)計(jì)更少的輸出電容器實(shí)現(xiàn)快速瞬態(tài)響應(yīng)。

　　ISL6364A 的設(shè)計(jì)符合英特爾為 VR12/IMVP7 級穩(wěn)壓器提供的規(guī)范。這些穩(wěn)壓器支持 POL 轉(zhuǎn)換器和處理器之間的密切合作。反過來，如果處理器看到電流下降到某個(gè)點(diǎn)以下，則可以通過 SVID 總線向控制器發(fā)送低功耗模式信號。然后控制器可以使用單相或兩相操作進(jìn)入低功耗模式。在超低功耗模式下，它可以通過二極管仿真選項(xiàng)以單相運(yùn)行。在 PSI 低功率信號被取消斷言后，丟棄的相位被添加回來以支持更重的負(fù)載。ISL6364A 還支持自動(dòng)切相以優(yōu)化效率，而無需處理器參與。

　　在非常低的負(fù)載水平下，即使是單相也會失去效率。DC/DC 控制器供應(yīng)商已經(jīng)實(shí)施了脈沖跳躍或突發(fā)模式等技術(shù)。在突發(fā)模式下，開關(guān)電路僅在輸出電壓開始超出調(diào)節(jié)范圍時(shí)激活。

　　在諸如LTC3856的器件中來自凌力爾特的睡眠信號在平均電感電流高于負(fù)載電流時(shí)被激活。在睡眠模式下，負(fù)載電流由輸出電容提供。當(dāng)輸出電壓下降得足夠多時(shí)，休眠信號被禁用，轉(zhuǎn)換器在下一個(gè)周期激活以供電，直到休眠信號被重新置位。脈沖跳躍模式通過在檢測到輕負(fù)載條件時(shí)一次不切換幾個(gè)周期來提供較低的紋波，盡管與突發(fā)模式相比整體效率降低。這種架構(gòu)為設(shè)計(jì)人員提供了一種節(jié)能方法的選擇，以最適合在效率和其他因素（例如輸出紋波）之間進(jìn)行權(quán)衡。

　　在更高的負(fù)載水平下，LT3856 執(zhí)行自動(dòng)切相和重新激活。當(dāng)板載反饋誤差放大器的輸出電壓達(dá)到用戶可編程電壓時(shí)，觸發(fā)級脫落操作。在此編程電壓下，控制器關(guān)閉其一個(gè)或多個(gè)相位，并阻止功率 MOSFET 開啟和關(guān)閉。這種在階段脫落發(fā)生時(shí)進(jìn)行編程的能力提供了確定何時(shí)進(jìn)入這種操作模式的靈活性。

　　對于需要對系統(tǒng)中運(yùn)行的相數(shù)進(jìn)行高度控制的設(shè)計(jì)，德州儀器 （ Texas Instruments ） 提供了TPS40140，一種多功能控制器，可以作為單個(gè)控制器運(yùn)行，也可以在多控制器配置中“堆疊”。TPS40140 有兩個(gè)通道，可配置為單輸出的多相或具有兩個(gè)獨(dú)立輸出電壓的雙輸出。但是，單個(gè)控制器的兩個(gè)通道總是異相 180 度切換。

　　在多設(shè)備系統(tǒng)中，通常希望同步每個(gè)設(shè)備的時(shí)鐘以最小化輸入紋波電流以及輻射和傳導(dǎo)發(fā)射。這是通過將其中一個(gè)控制器指定為主控制器而將其他控制器指定為從控制器來實(shí)現(xiàn)的。要?jiǎng)?chuàng)建一個(gè) 12 相系統(tǒng)，設(shè)計(jì)人員需要添加五個(gè)從設(shè)備，使用 PHSEL 和 CLKIO 線互連，然后設(shè)置它們響應(yīng)主時(shí)鐘信號的方式。

　　從機(jī)通過在主機(jī)的 PHSEL 輸出上使用串聯(lián)的 39 kΩ 電阻器從主機(jī) CLKIO 信號中檢測正確的時(shí)鐘信號。根據(jù)主設(shè)備的設(shè)置方式，CLKIO 信號為開關(guān)周期的每個(gè)周期生成 6 個(gè)或 8 個(gè)時(shí)鐘。為了進(jìn)一步將總電流容量增加到十二相，或增加輸出數(shù)量，使用了五個(gè)從控制器，并在 PHSEL 線上設(shè)置了兩個(gè)電阻器。為了實(shí)現(xiàn) 12 相操作，三個(gè)從控制器上的 ILIM2 引腳連接到高電平，以便它們在其相應(yīng) CLKIO 信號的下降沿而不是默認(rèn)上升沿觸發(fā)。

　　圖 3：使用六個(gè) TPS40140 器件的十二相配置。

　　隨著能源效率繼續(xù)成為服務(wù)器設(shè)計(jì)人員關(guān)注的一個(gè)領(lǐng)域，多相 POL 策略可能會變得更加普遍，我們將看到電路對負(fù)載要求的快速變化和低負(fù)載條件的反應(yīng)方式的進(jìn)一步改進(jìn).