概述
近年来,跟着因特网服务需求量的明显添加,全球数据中心的电力耗费已经成为一个重要的问题。数据中心可编列网页、完结社会网络和流媒体服务、供给音乐和视频下载、供给互联网拜访以及运转仿真。别的,它们还为银行及其他金融业务的传统和私家用户供给了核算才能。数据中心常常占有多间房子、多个楼层乃至整幢大楼,包含核算机、存储和网络设备。在 2000 年至 2005 年间,数据中心的总用电量翻了一番 ── 从每年 700 亿度添加到了 1400 亿度,并持续以 16.7% 的均匀添加率逐年攀升,而亚太区域 (不包含日本) 是世界上仅有的一个远远超越该均匀添加率的首要区域 [材料来历:“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]。
数据中心所选用的核算机 (常称为服务器) 与 PC 架构类似,具有一个 CPU、ASIC、FPGA 和存储器。可是,与 PC 不同的是,数据中心里的服务器尽可能严密地组合在一起且耗用许多的电力,因而发生了有必要散逸的热量。功率经过不间断电源体系 (UPS) 运送至这些服务器,这以后一般设有一个分布式电源体系和用于负载点 (POL) 供电的降压型 DC/DC 转化器。此类功率运送办法的功率达不到 100%,并且会发生许多的热量。有必要慎重和持续不断地办理这些热量,以使体系在其规则的作业温度范围内运转。不管冷却体系的类型和功率怎么,都有必要采纳某种办法将热量从数据中心去除。而要做到这一点,就必需运用额定的能量来运作冷却设备。
据估计,因为低功率和冷却体系所形成数据中心添加额定功耗与服务器、存储和网络设备所耗费的功率量大致持平。单台 PC、作业站或笔记本电脑的用户并不会把体系发热看作一个问题,但关于数据中心而言,办理这种热开支的重要性一点点不亚于服务器自身。假如下降了体系功率,那么可用开支就能够处理一个更大的 IT 负载并完结更多有用的作业,而功耗水平坚持不变。
因为数据中心的功率需求持续添加,因而必需进行功率较高的功率转化以削减被作为热量而糟蹋掉的功率。智能型多相操控器技能是一种合适大电流 POL 运用的绝佳解决方案。该架构使得大电流稳压器能够在满负载条件下完结大大超越 90% 的功率。可是,此类规划大多数不满足在轻负载到中等负载时完结较高功率的需求。节约轻负载至中等负载时糟蹋的电力与节约重负载时糟蹋的电力相同重要。
大部分嵌入式体系经过 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 中心总线电压,用于向体系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 至 3.3V 的电压范围内、以数十 mA 至数百 A 的电流作业。因而,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 转化器是必不可少的。
明显,人们期望在电压不断下降的情况下添加电流,这种日渐添加的需求将持续推进电源产品的开发。这一范畴的许多效果能够追溯到功率转化技能范畴中所获得的前进,特别是电源 IC 和功率半导体器材的改进。整体而言,这些组件对进步电源功用起到了很大效果,因为它们答应在对功率转化功率影响最小的前提下进步开关功率。这是经过下降开关和接通状况损耗,然后在进步功率的一起可答应高效地去除热量。不过,向较低输出电压转变给这些要素施加了更大的压力,这反过来又导致了极大的规划应战。
多相拓扑结构
多相运作是转化拓扑结构的一般性术语,在这类拓扑结构中,由两个或更多个转化器处理单个输入,并且这些转化器彼此同步但以不同和确定的相位运转。这种办法下降了输入纹波电流、输出纹波电压以及总的 RFI (射频搅扰) 特征值,一起供给了单个大电流输出或具彻底安稳输出电压的多个较低电流输出。这种办法还答应运用较小的外部组件,然后造就功率较高的转化器,并且供给了以更少的冷却办法改进热量办理这种附加的优点。
虽然一般来说,降压型转化器是更为遍及的运用,可是多相拓扑结构能够装备为降压型、升压型乃至正激式转化器。现在,从 12VIN至 1.xVOUT的转化功率高达 95% 是很遍及的。
在较高的功率电平条件下,可扩展型多相操控器运用输入和输出纹波电流抵消 (经过对多个并联功率级的时钟信号进行交织处理而得以完结) 来减缩电容器和电感器的尺度和本钱。经过集成 PWM (脉宽调制) 电流形式操控器、真实的远端采样、可选的定相操控、固有的电流均分才能、大电流 MOSFET 驱动器、以及过压和过流维护功用,多相转化器有助于最大极限地削减外部组件数目和简化整个电源规划。这简化了制作进程,然后不只有助于进步电源的可靠性,还使电源成为可扩展的。此类体系最多可扩展至 12 个相位,以供给高达 300A 的大电流输出。
凌力尔特公司具有好几款多相 DC/DC 操控器,包含合适大电流 POL 转化的 LTC3856 和 LTC3829 单路输出同步降压型操控器。这些器材不只能够进步满负载功率,并且还具有一种任选的“逐级递减”(Stage SheddingTM) 功用,该功用可下降轻负载至中等负载时的功率损耗。图 1 中的电路示出了 LTC3856 的一款典型运用原理图,该电路用于运用两个相位从一个 4.5V~14V 输入电压发生 1.5V/50A 输出。
图 1:大输出电流 1.5V/50A 运用电路原理图
图 2 中的电路显现了一款典型的 LTC3829 运用原理图,该电路选用 3 个相位从 6V~28V 输入电压发生一个 1.2V/75A 输出。
图 2:大输出电流 1.2V/75A 运用电路原理图
LTC3856 具有两个通道,且运用多个 IC 能完结多达 12 个相位。LTC3829 具有 3 个通道,当运用两个 %&&&&&% 时,能以多达 6 个相位运作。内置的差分放大器担任供给对正和负终端的真实远端输出电压采样,然后完结了高精确度稳压,而不受走线、过孔和互连线中 IR 损耗的影响。
额定的优点
这些操控器选用全 N 沟道 MOSFET,在 4.5V~38V 的输入电压范围内作业,并能发生 0.6V~5V、精确度为 ±0.75% 的输出电压。经过对输出电流检测,或经过运用一个检测电阻器来监督输出电感器 (DCR) 两头的压降,以完结最高的功率。可编程 DCR 温度补偿在很宽的温度范围内坚持了精确的过流约束设定点。强壮的内置栅极驱动器最大极限地下降了 MOSFET 的开关损耗,并答应运用多个并联衔接的 MOSFET。固定作业频率可设定为 250kHz 至 770kHz,或许运用其内部 PLL 同步至一个外部时钟。仅为 90ns 的最短接通时刻使 LTC3729 和 LTC3856 十分适用于高降压比 / 高频运用。
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一般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进步功率。
逐级递减操作形式答应在轻负载情况下关断一个或多个相位,以下降与开关切换有关的损耗,并且这种操作形式一般在负载电流降至不到 15A 时运用。整体功率能够进步 13% 之多,如图 3 所示。这张图还显现了较早和可比较的 LTC3729 两相操控器的功率。因为更强的栅极驱动和更短的死区时刻,LTC3856 能够在整个负载范围内完结比 LTC3729 约高 3% 至 4% 的功率。
图 3:选用逐级递减相位时 LTC3856 的功率曲线 (与较早的一款操控器做了比照)
当内置反应差错放大器的输出电压到达用户可编程电压时,就触发逐级递减操作形式。在这个编程电压上,该操控器关断它的一个或多个相位,并阻挠功率 MOSFET 的接通和断开。这种能设置何时触发逐级递减操作形式的才能带来了能决议何时进入这种操作形式的灵活性。图 4 中显现了 SW 波形以及 LTC3829 怎样进入和退出逐级递减操作形式。
图 4:LTC3829 逐级递减相位波形:(a) 进入逐级递减操作形式,和 (b) 退出逐级递减操作形式
LTC3856 和 LTC3829 能以 3 种形式中的恣意一种来运作:突发形式 (Burst Mode®) 操作、强制接连形式或逐级递减形式,所有这 3 种形式均可由用户来挑选。在超越 15A 的重负载条件下,这些器材以稳定频率 PWM 形式运作。在负载十分轻的情况下,能够挑选突发形式操作,并将在负载电流不到 0.5A 时发生最高的功率。突发形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%&&&&&%器在内部睡觉期间供给能量。
有源电压定位
LTC3856 和 LTC3829 还具有有源电压定位 (AVP) 功用,该功用在阶跃负载期间减小最大电压违背,并在较重负载时下降功耗,然后进一步进步了其功率。图 5 示出了图 1 中的电路在选用和未选用 AVP 时的作业特性差异。未选用 AVP 时,就一个 25A 阶跃负载而言,最大电压违背为 108mV。而选用 AVP 时,对