多相 DC/DC 轉(zhuǎn)換器在整個負載范圍內(nèi)提供了高效率
概述
近年來，隨著因特網(wǎng)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(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)絡和流媒體服務、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(wǎng)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(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(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(wǎng)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(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 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(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，這反過來又導致了極大的設計挑戰(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(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 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(chǎn)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(chǎn)生一個 1.2V/75A 輸出。
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LT3094: 在 1MHz 具 0.8μVRMS 噪聲的負 LDO
LT3094 是一款高性能低壓差負線性穩(wěn)壓器，其具有 ADI 的超低噪聲和超高 PSRR 架構(gòu)，適合為噪聲敏感型應用供電。該器件可通過并聯(lián)以增加輸出電流和在 PCB 上散播熱量。
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LTM8002 是一款 40VIN、2.5A 降壓型μModule® 穩(wěn)壓器。它內(nèi)置了開關(guān)控制器、電源開關(guān)、電感器和所有的支持性組件。該器件支持 3.4V 至 40V 的輸入電壓范圍，和 0.97V 至 18V 的輸出電壓。
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LTM4686 是一款雙通道 10A 或單通道 20A 超薄型降壓 μModule 穩(wěn)壓器。該器件1.82mm 的高度使之可放置到非�？拷撦d (FPGA 或 ASIC) 的地方，從而共用一個散熱器。其 PMBus 接口使用戶能改變主要的電源參數(shù)。
