多相降压转换器的优势及如何提高微处理器的功效

更高的能效已成为计算机服务器和高性能网络设备的关键要求。冷却这些系统的成本现在是其寿命成本以及自身能源使用的主要因素。这种系统依赖于先进的微处理器，并且在高性能计算应用的情况下，依赖于每秒数十亿次浮点运算的通用图形处理单元(GPGPU)。这些处理器通常密集封装以最大化其空间效率，并且当以峰值速度运行时，每个处理器可能具有超过100W的功率需求。因此，在苛刻的条件下，功率转换的热效率至关重要。为了最大限度地减少服务器或交换机背板上的功率分配损耗，这些系统通常采用相对较高的中间电压至少为12 V。然后使用负载点(POL)转换器来提供这些器件所需的低电压 - 通常约为1V。这通常导致需要高峰值电流值来处理处理器接近其热封套运行的短暂时期。

传统上，POL转换器的设计旨在实现高负载时的最大效率，因为这是多余的热量可能是最具破坏性的。目前使用的大多数POL转换器在满载时保证90%以上的效率。在密集的服务器中，这种效率至关重要，因为它确保标准空气冷却可以足够快地移除热量，以防止系统过热以及处理器经历热关机的风险。在现代的基于互联网的环境中，由于突然关闭处理器而丢失交易和请求会迅速损害收入和声誉。但是，因为系统很少有超过一小部分处理器满负荷运行，在需要强制空气冷却时可能会损失大量能量。由于传统POL转换器的效率随着负载的降低而下降，因此需要更大比例的冷却用于电力输送基础设施而不是处理器本身。如果POL转换器可以更高效，则可以缩减强制空气冷却的要求，从而不仅可以节省服务器本身，还可以节省周围的空调。

已经取得了进展。功率转换技术，主要集中在每个POL转换器消耗的电路板面积量的问题上。一种趋势是开关频率的增加以减少峰值电流需求，这有助于将诸如电容器的无源元件的尺寸保持最小。但是，开关频率的推高程度有限，特别是在频率影响较大的大电流系统中。通常，在转换期间，控制开关的开关损耗与输出电流乘以所提供的能量和开关周期本身成正比。

越来越多的POL IC设计人员正在寻求一种解决方案。单个输入由多个转换器处理。转换器彼此同步运行，但使用不同的相位。多相转换器中的振荡器是同步的，使得每个相以相同的频率(f)驱动，但相位移动360°/N，其中N是整个转换器中的相数。每个降压相的输出与其他降压相并联，使得纹波频率为Nf而不是f

 

 

图1：三相情况下的通道输入电流和输入电容电流。

多相的使用意味着核心转换拓扑保持了高频操作的优势，而不会缩短开关周期并且具有减少过纹波电流的好处，因为电流脉冲之间的间隙比单转换拓扑短得多。这也改善了电磁干扰(EMI)特征，因为转换器内的电流变化率低于传统方法。对于多相或多相转换器，有效工作频率实际上是基频开关频率倍增按阶段数量。因此，瞬态响应得到改善，这对于高级处理器非常重要，因为功率需求可以在极短的时钟周期内发生变化。

多相降压转换器拓扑结构具有更多的封装优势。每个通道的转换功率仅为可比较的单相降压转换器的一小部分，从而减小了设计中使用的电感器和功率MOSFET的尺寸。较小的功率MOSFET可降低动态损耗，因为它们具有较小的寄生电容。同样，由于纹波电流减小，电容器的损耗也会降低。

 

 

图2：针对一系列不同的多相选项的纹波电流与占空比的关系。

在峰值需求时，所有相位都在转换器是活跃的。然而，随着处理器减速并且其功率需求下降，转换器可以关闭一个或多个相，从整体能量需求中消除该相的开关损耗。结果是POL转换器以动态的方式响应负载的需求。可以使用PMBus信号将对相位的控制分配给本地微处理器或板级功率控制器。 PMBus命令可用于让中央电源管理器开启或关闭相位。

多相转换器通过集成PWM(脉冲宽度调制)电流模式控制器，遥感，帮助最大限度地减少外部元件数量并简化整个电源设计可选择的相位控制，固有的电流共享能力，大电流MOSFET驱动器以及过压和过流保护功能。在更高的功率水平下，可扩展的多相控制器可以减小电容器和电感器的尺寸和成本为了控制定制设计中的多相转换，Intersil的ISL6364A具有双PWM输出，专为低压处理器和GPU而设计。它有一个四相PWM来控制微处理器内核或内存电压调节器。其第二个PWM控制器是单相设计，可控制外围电压调节器的I/O.该器件采用Intersil专有的增强型有源脉冲定位(EAPP)调制方案，以比标准设计更少的输出电容实现快速瞬态响应。

ISL6364A的设计符合英特尔为VR12/IMVP7级稳压器提供的规范。这些稳压器支持POL转换器和处理器之间的紧密合作。对于ISL6364A，控制器监视负载电流并使用IOUT寄存器将此信息报告给微处理器。反过来，如果处理器看到电流下降到某个点以下，则可以通过SVID总线向控制器发送低功率模式信号。然后，控制器可以使用单相或两相操作进入低功率模式。在超低功耗模式下，它可以采用二极管仿真选项单相工作。在PSI低功率信号被置低后，降低的相位被加回以支持更重的负载。 ISL6364A还支持自动相位切除，无需处理器参与即可优化效率。

在极低的负载水平下，即使单相也会降低效率。 DC/DC控制器供应商已经实现了诸如脉冲跳跃或突发模式之类的技术。在突发模式下，开关电路仅在输出电压开始超出调节范围时激活。

在凌力尔特公司的LTC3856等器件中，当平均电感电流高于平均电感电流时，会激活睡眠信号。加载。在睡眠模式期间，负载电流由输出电容器提供。当输出电压下降得足够远时，睡眠信号被禁用，转换器在下一个周期激活，以供电，直到重新确认睡眠信号。脉冲跳跃模式通过在检测到轻载条件时不切换几个周期来提供较低的纹波，尽管与突发模式相比总体效率降低。该架构为设计人员提供了一种节能方法，可以最好地适应效率和其他因素(例如输出纹波)之间的权衡。

在更高的负载水平下，LT3856执行自动相位切除和重新激活。当板载反馈误差放大器输出电压达到用户可编程电压时，触发级脱落操作。在此编程电压下，控制器关闭其一个或多个相位，并停止功率MOSFET开启和关闭。这种在阶段脱落时进行编程的能力为确定何时进入这种操作模式提供了灵活性。

对于需要对系统中运行的相数进行高度控制的设计，德州仪器(TI)推出了TPS40140 ，多功能控制器，可作为单个控制器运行，也可在多控制器配置中“堆叠”。 TPS40140有两个通道，可配置为单相输出的多相或具有两个独立输出电压的双输出。但是，单个控制器的两个通道总是在180度异相切换。

在多器件系统中，通常需要同步每个器件的时钟，以最大限度地减少输入纹波电流以及辐射和传导发射。这是通过将其中一个控制器指定为主控制器而将其他控制器指定为从属控制器来实现的。为了创建一个12相系统，设计人员需要添加五个从器件，使用PHSEL和CLKIO线互连，然后设置它们响应主时钟信号的方式。

从器件通过在主器件的PHSEL输出上使用39kΩ串联电阻器，从主CLKIO信号中检测正确的时钟信号。根据主机的设置方式，CLKIO信号在开关周期的每个周期产生六个或八个时钟。为了进一步将总电流容量增加到12个相位，或增加输出数量，使用5个从控制器，在PHSEL线路上设置两个电阻器。为了实现12相操作，三个从控制器上的ILIM2引脚接高电平，以便它们在相应的CLKIO信号的下降沿触发而不是默认的上升沿。

 

 

图3 ：使用六个TPS40140器件进行十二相配置。由于能源效率仍然是服务器设计人员关注的一个领域，多相POL策略可能会变得更加普遍，我们将看到电路的进一步改进方式对负载要求和低负载条件的快速变化做出反应。