使用数字多相控制器为数据中心提供支持

多相解决方案改善了数据中心的效率和尺寸

随着终端系统功能的增多，处理功率也相应提高，以满足新的数据中心设计要求。这种高处理能力需求主要集中在数据中心应用中，数字中心采用高端 CPU/ASIC 和处理器来运行服务器、存储和网络设备。服务器和网络设备则通过电信设备分布至网络，然后通过 CPU/ASIC 和 FPGA 的销售点设备、台式电脑和嵌入式计算系统进行工作。

在上述示例中，CPU/ASIC 和处理器具有相似的数字处理需求，以及相似的功率分布。虽然如今处理器的尺寸不断缩小，但它们采用了更多的晶体管，因此需要更高的输出电流，范围一般在 100A 至 500A 之间，甚至更高，具体由其复杂程度决定。 该行业通过在数字负载中集成低功率状态来调整这种情况。此举使得设备能在空闲时以更低电流运行，在需要时再按全功率运行。这有利于控制整个系统的功率预算，但会给全功率端的电源设计人员带来另一项挑战。首先，数据中心电源必须对需要在不到 1 微秒的时间内实现超过 100A 的大阶跃载荷做出响应，同时还需保持很窄的输出调整率。其次，必须小心可靠地管理散热性能，才能继续保持全功率范围。

多相电压调节器模块（VRM）可以解决这些挑战。VRM 提供电源转换，一般是从 12V 输入转换至 1V（或更低）输出。 要提供如此大的负载电流，更简单的方法是设计一个多相解决方案，将负载分配给多个更小的功率级（所谓的相），而不是尝试使用单相来提供。在设计电磁和功率级，以及要从功耗的角度解决散热问题时，想要通过单相提供太多电流是一项巨大的挑战。相比通过单相提供大电流，多相解决方案则具有高效率、小尺寸和低成本等特点。这与多核 CPU 类似，该 CPU 会拆分末端负载的工作负载。

对电源数据中心的数字控制

几十年来，人们一直将模拟控制作为值得信赖的方法和电源系统解决方案。但是，在涉及大电流和高功率应用时，模拟控制存在一定的缺陷。对于高端电源解决方案，电源系统需要更加智能化并能集成到整个解决方案中，且电源解决方案和主 CPU/ASIC 之间的通信应该是一项硬性设计要求。

因此，数字控制解决方案非常适合数据中心应用。 为帮助理解，我们以 MPS 的 MP2888A 为例，这是一款数字多相控制器，可以替代传统的模拟控制器。MP2888A 是一款具有 PMBus 和 PWM-VID 接口的 10 相数字多相控制器 （参见表 1）.

表 1: MPS 数字控制器对比传统模拟控制器

由于采用数字控制技术，仅需在封装中配置一个单独的引脚，MP2888A便可支持PWM-VID。 如果是采用模拟控制器，想要实现相同的功能，一般需要使用 4个 引脚并需要额外添加7 个以上高精度外部元器件 （参见图 1）. 虽然高精度元器件提升了设备功能，但它们也增加了整体方案成本。

a) 支持PWM-VID 和 REFIN 的模拟控制器方案电路

b) 支持PWM-VID 和 REFIN 的，集成可编程寄存器MP2888A方案电路

图1：支持PWM-VID（模拟控制器对比数字控制器）

传统的模拟控制器需要采用 RC 电路来构建反馈补偿环路。要优化补偿回路，需要进行多次迭代来计算外部部件的正确值从而满足多种工作条件。在测试和重新测试系统之前，工程师还必须更改这些部件。数字控制解决方案避免了潜在的重复劳动，使系统微调变得更加容易。

因为具有自动环路补偿功能，数字控制解决方案无需使用任何外部元器件，且可以通过使用 PMBus 调整寄存器设置来轻松完成微调。还可以使用一个寄存器来正确设置公差范围，由此轻松完成负载-线性校准——在超频期间，此功能非常有用，可以帮助稳定 CPU/ASIC。与数字控制器相比，模拟控制器需要使用14 个以上外部部件来进行环路补偿和负载-线性校准（参见图 2）。 模拟控制器。 (参见图2).

图 2: 负载-线性和环路补偿（模拟控制器对比数字控制器）

数字控制器可以简化系统设计。 对于工程师而言，可以帮助简化 PCB 布局设计。 图 3 为模拟控制器和数字控制器对比图。 数字控制器可以节省 36% 的占板面积，需要的传统部件数量不到原来的一半。

图 3: PCB 布局的复杂程度（模拟控制器对比数字控制器）

典型的模拟控制器使用一个 PWM 信号来驱动单个功率级。对于数据中心等高功率应用，其处理器要求至少 500A 或更高的负载电流，一般采用的方法是：

1. 选择相位数量最多的控制器（例如 20 个相位）

2. 使用倍相器，通过生成两个交错并联的信号（由原始信号构成）来使相位数量翻倍

但是，目前市面上尚没有 20 相模拟或数字控制器，而且倍相器会增加部件数量和成本，同时增高系统设计的复杂性。

与此相反，数字控制器（例如 MP2888A）可以通过一个通用 PWM 信号来驱动两个功率级 (参见图4).此类数字控制器无需采用倍相器，还可确保两个功率级之间的均流。因此，一个 10 相数字多相控制器堪比 20 相系统设计。

图 4: MP2888A 采用一个常用 PWM 信号来驱动两个Intelli-PhaseTM设备

结论

多相解决方案已逐步发展为数字控制方案，它能够更有效地解决大电流/功率应用挑战，例如数据中心此类应用。通过采用数字控制解决方案，可以大幅降低部件选择、环路/性能优化和布局等带来的负担。这些控制解决方案缩短了整体设计和解决系统故障所需的时间，最终加快了上市速度。

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