多相电源控制架构为物联网云端系统供电

 本文介绍一种利用合成电流控制的新型多相架构，能够提供逐周期的电流均衡和更快的瞬态响应，同时以零延迟追踪每相电流。

物联网(IoT)云端服务规模的指数级成长推动了数据中心、网络和电信设备领域的显著进步。透过互联网协议(IP)地址连接到云端的物联网设备数量，已经超过地球上人口的数量。为了应对持续增加中的数据与视讯，使得数据中心的服务器、内存和网络交换机等基础设施设备的处理能力和带宽即将达到极限。

对于电源设计工程师而言，主要的挑战在于如何高效地为这些设备供电和散热，同时将用电量降到最低。工程师在使用目前的先进处理器、ASIC和FPGA时，还必须考虑权衡电路板电源所占的面积与散热能力。

本文综述多相转换器架构的演变，并比较了不同的控制模式方案;同时介绍了一种利用合成电流控制的新型多相架构。这一进展使电源解决方案能够提供逐周期的电流均衡和更快的瞬态响应，同时以零延迟追踪每相电流。

多相技术可为物联网供电

随着终端系统功能的不断增加，对于处理能力的要求也相应提高。处理能力主要集中于数据中心，包括高阶CPU、数字ASIC和网络处理器执行于服务器、储存与网络设备。它们透过电信设备分布于整个网络，用于销售点(PoS)机器、桌面计算机以及基于CPU或FPGA的嵌入式运算系统进行事务处理。

这些设备的共同点是其数字处理需求具有相似的功率分布曲线。随着处理器制程几何微缩和晶体管数量增加，处理器现在需要更高的输出电流，范围约为100A~400A或更高。

这个趋势已经持续多年了，业界的作法一直是将更低的电源状态整合于数字负载，以应对需求。这使得数字负载能够在闲置时消耗更低电流，只在需要时达到功率峰值。

不过，这虽然有利于整体系统的功率预算，但却为电源工程师带来另一项挑战。一方面他们仍必须提供超过200A的满载电流并进行热管理，另一方面，电源必需在不到1微秒的时间内对超过100A的大负载步进电流作出反应，同时将输出保持在窄稳压窗口之内。

在终端系统中，常见的解决方案一直是使用多相DC/DC降压转换器，以提供所需的功率转换，通常是从12V输入转换为约1V的输出。为了提供大负载电流，设计一种可将负载切割成多个较小相位的多相解决方案，比透过单相来提供更容易。

从I2R的角度来看，试图在单个相位中处理过多的电流，将会对于设计磁性组件和FET以及热管理带来挑战。对于较高的电流要求，多相解决方案与单级方案相较可提供高效率、更小的尺寸以及更低的成本。这种方法类似于终端负载所采取的技术方向，即多核心CPU划分工作负载。图1显示使用四个相位为CPU提供150A电流的多相解决方案。

图1：支持四个相位的多相解决方案

合适的控制方案

多相解决方案提供最佳的电源架构，但必须谨慎评估建置方式，才能搭配最新一代的处理器。终端系统的趋势始终是更强的性能、更小的尺寸和更高效率的电源管理。这一趋势反映在电源设计中，就是透过增加开关频率而将尺寸缩至最小，并在满载和瞬态条件下以更高的电流管理更低的输入电压。这些趋势带来了电源稳压方面的问题，控制回路必须相应加以改善。多相控制器领域的主要挑战是管理每个相位的电流，这必须考虑以下要点：

每个相位的电流必须平均分担负载。如果存在N个相位，则每个相位的电流始终应为Iphase=Iout/N。 在稳态和瞬态期间的相位电流必须均衡。

保持这些条件很重要，否则你可能得不断地反复设计电源。例如，稳态期间相位电流不均衡会导致热失衡。而在瞬态条件下，如果仅有一个相对负载步进电流发生响应，则其电感器尺寸将会明显过大，违背了多相设计的初衷。

为了满足上述两个条件，重要的是控制回路始终完全掌握相位电流和输出电压，而不至于发生延迟或采样延迟现象。

采用合成电流控制方案

相较于在电压控制方面采用变通方法来避免电流感测问题，还有其他的新方案可以解决这个问题。例如Intersil利用先进的数字控制技术，将整个控制、监测和补偿移至数字域，由此产生的合成电流控制回路提供了逐周期的相位电流均衡与快速瞬态响应。

新的控制方案源于这样的挑战：尽管高侧电流讯号在回路中至关重要，但由于开启时间短和高噪声环境，而无法进行直接测量。而新的相位控制器使用人为产生的合成电流讯号，具备无噪声、准确且零延迟的优点。其基本原理是，决定相位电流涉及的所有参数可在每个周期直接测量，使控制器得以取得电流值，如图2的电流波形所示。

图2：电感器电流波形

电流波形的斜率与输入/输出电压和电感有关。透过持续测量电压和计算电感，就能产生合成的电流波形。在电流衰减时实际进行测量并进行校准，让控制器得以消除由于电流偏移或衰减而产生的误差。这有助于控制器补偿系统由于老化、发热或电感饱和导致的任何变化。除了内部无噪声的电流波形，这种控制器还可以控制回路延迟。由于电感电流斜升(ramp)由脉冲宽度调变(PWM)计时，而PWM的讯号是从控制器发出，数字回路可以透过智能功率级来控制所有传播延迟，从而消除内部电流波形延迟。

这种功能还只是其中的好处之一，在兼具电流和电压信息的数字域中采用整个回路控制还有更多优点。图3的方块图显示了数字讯号处理可以应用于许多领域，以改善整体响应。电压回路补偿的实现使用传统PID系数，该系数可透过Intersil PowerNavigato GUI实时调整。

在具有非常严格电压窗口的情况下，透过使用AC电流反馈可进一步提升瞬态性能。透过实施可调节的滤波器和阈值，可将动态的负载变化直接注入回路，从而提供与负载步进电流成比例的更快速响应。

图3：控制回路的方块图

合成电流控制的优点

合成电流控制的优点是能够设计具有逐周期电流均衡和快速瞬态响应的多相电源。每个相位的电流是准确的，让组件得以在连续负载瞬态的条件下保持稳定操作，其中所有的相位平均地分担电流。合成电流控制可在电流反馈路径中结合零延迟，而使组件能更快地响应负载条件，从而将输出电容降到最低。即使采用高电流的CPU，也可以使用「全陶瓷」输出电容器解决方案。该控制回路可利用零延迟、全带宽、数字电流波形，根据负载线路精确地定位输出电压、仿真负载分布曲线的准确响应。这避免了在输出电压稳定到新目标电压时出现的传统模拟RC衰减。图4显示在无需负载线路的情况下，组件仍能满足任何负载瞬变要求，并使电压稳定。

图4：90A负载的瞬态响应

如图4所示，合成电流控制回路有助于多相控制器为CPU、FPGA和ASIC等现代高电流负载供电。对于相位电流的准确控制和定位，有助于控制器以最小输出电容满足任何瞬变条件的要求，同时又不会使电感器尺寸过大。

结语

多相控制架构已进入数字时代，这相当有助于解决为现代高电流负载供电的挑战。这一优势已经表现在革命性的合成电流控制方案所提供的瞬态响应和相位均衡上，当然，它还为电源设计带来其他许多好处，例如，其中一项不容忽视的是透过软件进行调节、控制和监测各项设置的能力。

从较高层次来看，这为设计与调谐回路提供了更简单的途径。我们可以使用如PowerNavigator GUI等软件接口，在几分钟之内建立完整的设计。而在进行电路板除错期间，实时了解电源状态与条件以及经由可调节滤波器和实时软件控制对噪声条件进行补偿的能力，有助于设计工程师克服任何挑战而无需重新进行设计。这些无形的优势将有利于越来越多的电源采用数字控制方案。