本文介紹一種利用合成電流控制的新型多相架構(gòu)，能夠提供逐周期的電流均衡和更快的瞬態(tài)響應(yīng)，同時(shí)以零延遲追蹤每相電流。

物聯(lián)網(wǎng)(IoT)云端服務(wù)規(guī)模的指數(shù)級成長推動(dòng)了數(shù)據(jù)中心、網(wǎng)絡(luò)和電信設(shè)備領(lǐng)域的顯著進(jìn)步。透過互聯(lián)網(wǎng)協(xié)議(IP)地址連接到云端的物聯(lián)網(wǎng)設(shè)備數(shù)量，已經(jīng)超過地球上人口的數(shù)量。為了應(yīng)對持續(xù)增加中的數(shù)據(jù)與視訊，使得數(shù)據(jù)中心的服務(wù)器、內(nèi)存和網(wǎng)絡(luò)交換機(jī)等基礎(chǔ)設(shè)施設(shè)備的處理能力和帶寬即將達(dá)到極限。

對于電源設(shè)計(jì)工程師而言，主要的挑戰(zhàn)在于如何高效地為這些設(shè)備供電和散熱，同時(shí)將用電量降到最低。工程師在使用目前的先進(jìn)處理器、ASIC和FPGA時(shí)，還必須考慮權(quán)衡電路板電源所占的面積與散熱能力。

本文綜述多相轉(zhuǎn)換器架構(gòu)的演變，并比較了不同的控制模式方案;同時(shí)介紹了一種利用合成電流控制的新型多相架構(gòu)。這一進(jìn)展使電源解決方案能夠提供逐周期的電流均衡和更快的瞬態(tài)響應(yīng)，同時(shí)以零延遲追蹤每相電流。

多相技術(shù)可為物聯(lián)網(wǎng)供電

隨著終端系統(tǒng)功能的不斷增加，對于處理能力的要求也相應(yīng)提高。處理能力主要集中于數(shù)據(jù)中心，包括高階CPU、數(shù)字ASIC和網(wǎng)絡(luò)處理器執(zhí)行于服務(wù)器、儲(chǔ)存與網(wǎng)絡(luò)設(shè)備。它們透過電信設(shè)備分布于整個(gè)網(wǎng)絡(luò)，用于銷售點(diǎn)(PoS)機(jī)器、桌面計(jì)算機(jī)以及基于CPU或FPGA的嵌入式運(yùn)算系統(tǒng)進(jìn)行事務(wù)處理。

這些設(shè)備的共同點(diǎn)是其數(shù)字處理需求具有相似的功率分布曲線。隨著處理器制程幾何微縮和晶體管數(shù)量增加，處理器現(xiàn)在需要更高的輸出電流，范圍約為100A~400A或更高。

這個(gè)趨勢已經(jīng)持續(xù)多年了，業(yè)界的作法一直是將更低的電源狀態(tài)整合于數(shù)字負(fù)載，以應(yīng)對需求。這使得數(shù)字負(fù)載能夠在閑置時(shí)消耗更低電流，只在需要時(shí)達(dá)到功率峰值。

不過，這雖然有利于整體系統(tǒng)的功率預(yù)算，但卻為電源工程師帶來另一項(xiàng)挑戰(zhàn)。一方面他們?nèi)员仨毺峁┏^200A的滿載電流并進(jìn)行熱管理，另一方面，電源必需在不到1微秒的時(shí)間內(nèi)對超過100A的大負(fù)載步進(jìn)電流作出反應(yīng)，同時(shí)將輸出保持在窄穩(wěn)壓窗口之內(nèi)。

在終端系統(tǒng)中，常見的解決方案一直是使用多相DC/DC降壓轉(zhuǎn)換器，以提供所需的功率轉(zhuǎn)換，通常是從12V輸入轉(zhuǎn)換為約1V的輸出。為了提供大負(fù)載電流，設(shè)計(jì)一種可將負(fù)載切割成多個(gè)較小相位的多相解決方案，比透過單相來提供更容易。

從I2R的角度來看，試圖在單個(gè)相位中處理過多的電流，將會(huì)對于設(shè)計(jì)磁性組件和FET以及熱管理帶來挑戰(zhàn)。對于較高的電流要求，多相解決方案與單級方案相較可提供高效率、更小的尺寸以及更低的成本。這種方法類似于終端負(fù)載所采取的技術(shù)方向，即多核心CPU劃分工作負(fù)載。圖1顯示使用四個(gè)相位為CPU提供150A電流的多相解決方案。

圖1：支持四個(gè)相位的多相解決方案

合適的控制方案

多相解決方案提供最佳的電源架構(gòu)，但必須謹(jǐn)慎評估建置方式，才能搭配最新一代的處理器。終端系統(tǒng)的趨勢始終是更強(qiáng)的性能、更小的尺寸和更高效率的電源管理。這一趨勢反映在電源設(shè)計(jì)中，就是透過增加開關(guān)頻率而將尺寸縮至最小，并在滿載和瞬態(tài)條件下以更高的電流管理更低的輸入電壓。這些趨勢帶來了電源穩(wěn)壓方面的問題，控制回路必須相應(yīng)加以改善。多相控制器領(lǐng)域的主要挑戰(zhàn)是管理每個(gè)相位的電流，這必須考慮以下要點(diǎn)：

每個(gè)相位的電流必須平均分擔(dān)負(fù)載。如果存在N個(gè)相位，則每個(gè)相位的電流始終應(yīng)為Iphase=Iout/N。 在穩(wěn)態(tài)和瞬態(tài)期間的相位電流必須均衡。

保持這些條件很重要，否則你可能得不斷地反復(fù)設(shè)計(jì)電源。例如，穩(wěn)態(tài)期間相位電流不均衡會(huì)導(dǎo)致熱失衡。而在瞬態(tài)條件下，如果僅有一個(gè)相對負(fù)載步進(jìn)電流發(fā)生響應(yīng)，則其電感器尺寸將會(huì)明顯過大，違背了多相設(shè)計(jì)的初衷。

為了滿足上述兩個(gè)條件，重要的是控制回路始終完全掌握相位電流和輸出電壓，而不至于發(fā)生延遲或采樣延遲現(xiàn)象。

采用合成電流控制方案

相較于在電壓控制方面采用變通方法來避免電流感測問題，還有其他的新方案可以解決這個(gè)問題。例如Intersil利用先進(jìn)的數(shù)字控制技術(shù)，將整個(gè)控制、監(jiān)測和補(bǔ)償移至數(shù)字域，由此產(chǎn)生的合成電流控制回路提供了逐周期的相位電流均衡與快速瞬態(tài)響應(yīng)。

新的控制方案源于這樣的挑戰(zhàn)：盡管高側(cè)電流訊號(hào)在回路中至關(guān)重要，但由于開啟時(shí)間短和高噪聲環(huán)境，而無法進(jìn)行直接測量。而新的相位控制器使用人為產(chǎn)生的合成電流訊號(hào)，具備無噪聲、準(zhǔn)確且零延遲的優(yōu)點(diǎn)。其基本原理是，決定相位電流涉及的所有參數(shù)可在每個(gè)周期直接測量，使控制器得以取得電流值，如圖2的電流波形所示。

圖2：電感器電流波形

電流波形的斜率與輸入/輸出電壓和電感有關(guān)。透過持續(xù)測量電壓和計(jì)算電感，就能產(chǎn)生合成的電流波形。在電流衰減時(shí)實(shí)際進(jìn)行測量并進(jìn)行校準(zhǔn)，讓控制器得以消除由于電流偏移或衰減而產(chǎn)生的誤差。這有助于控制器補(bǔ)償系統(tǒng)由于老化、發(fā)熱或電感飽和導(dǎo)致的任何變化。除了內(nèi)部無噪聲的電流波形，這種控制器還可以控制回路延遲。由于電感電流斜升(ramp)由脈沖寬度調(diào)變(PWM)計(jì)時(shí)，而PWM的訊號(hào)是從控制器發(fā)出，數(shù)字回路可以透過智能功率級來控制所有傳播延遲，從而消除內(nèi)部電流波形延遲。

這種功能還只是其中的好處之一，在兼具電流和電壓信息的數(shù)字域中采用整個(gè)回路控制還有更多優(yōu)點(diǎn)。圖3的方塊圖顯示了數(shù)字訊號(hào)處理可以應(yīng)用于許多領(lǐng)域，以改善整體響應(yīng)。電壓回路補(bǔ)償?shù)膶?shí)現(xiàn)使用傳統(tǒng)PID系數(shù)，該系數(shù)可透過Intersil PowerNavigato GUI實(shí)時(shí)調(diào)整。

在具有非常嚴(yán)格電壓窗口的情況下，透過使用AC電流反饋可進(jìn)一步提升瞬態(tài)性能。透過實(shí)施可調(diào)節(jié)的濾波器和閾值，可將動(dòng)態(tài)的負(fù)載變化直接注入回路，從而提供與負(fù)載步進(jìn)電流成比例的更快速響應(yīng)。

圖3：控制回路的方塊圖

合成電流控制的優(yōu)點(diǎn)

合成電流控制的優(yōu)點(diǎn)是能夠設(shè)計(jì)具有逐周期電流均衡和快速瞬態(tài)響應(yīng)的多相電源。每個(gè)相位的電流是準(zhǔn)確的，讓組件得以在連續(xù)負(fù)載瞬態(tài)的條件下保持穩(wěn)定操作，其中所有的相位平均地分擔(dān)電流。合成電流控制可在電流反饋路徑中結(jié)合零延遲，而使組件能更快地響應(yīng)負(fù)載條件，從而將輸出電容降到最低。即使采用高電流的CPU，也可以使用「全陶瓷」輸出電容器解決方案。該控制回路可利用零延遲、全帶寬、數(shù)字電流波形，根據(jù)負(fù)載線路精確地定位輸出電壓、仿真負(fù)載分布曲線的準(zhǔn)確響應(yīng)。這避免了在輸出電壓穩(wěn)定到新目標(biāo)電壓時(shí)出現(xiàn)的傳統(tǒng)模擬RC衰減。圖4顯示在無需負(fù)載線路的情況下，組件仍能滿足任何負(fù)載瞬變要求，并使電壓穩(wěn)定。

圖4：90A負(fù)載的瞬態(tài)響應(yīng)

如圖4所示，合成電流控制回路有助于多相控制器為CPU、FPGA和ASIC等現(xiàn)代高電流負(fù)載供電。對于相位電流的準(zhǔn)確控制和定位，有助于控制器以最小輸出電容滿足任何瞬變條件的要求，同時(shí)又不會(huì)使電感器尺寸過大。

結(jié)語

多相控制架構(gòu)已進(jìn)入數(shù)字時(shí)代，這相當(dāng)有助于解決為現(xiàn)代高電流負(fù)載供電的挑戰(zhàn)。這一優(yōu)勢已經(jīng)表現(xiàn)在革命性的合成電流控制方案所提供的瞬態(tài)響應(yīng)和相位均衡上，當(dāng)然，它還為電源設(shè)計(jì)帶來其他許多好處，例如，其中一項(xiàng)不容忽視的是透過軟件進(jìn)行調(diào)節(jié)、控制和監(jiān)測各項(xiàng)設(shè)置的能力。

從較高層次來看，這為設(shè)計(jì)與調(diào)諧回路提供了更簡單的途徑。我們可以使用如PowerNavigator GUI等軟件接口，在幾分鐘之內(nèi)建立完整的設(shè)計(jì)。而在進(jìn)行電路板除錯(cuò)期間，實(shí)時(shí)了解電源狀態(tài)與條件以及經(jīng)由可調(diào)節(jié)濾波器和實(shí)時(shí)軟件控制對噪聲條件進(jìn)行補(bǔ)償?shù)哪芰Γ兄谠O(shè)計(jì)工程師克服任何挑戰(zhàn)而無需重新進(jìn)行設(shè)計(jì)。這些無形的優(yōu)勢將有利于越來越多的電源采用數(shù)字控制方案。