利用即时微控制器因应伺服器电源供应设计趋势

随着全球伺服器及资料中心用量持续成长，满足稳定高效的电源供应需求，已成为支援耗电量上升的必要条件。用电量快速增加的原因在于，目前需要越来越多的整合式中央处理器、图形处理器及加速器，以提升伺服器和资料中心的计算速度。提升应用效益的做法推动了电源单位(PSU) 演进发展，提供高功率效率、快速暂态响应、高功率密度及更大的电源容量。
高功率效率
具备高功率效率的伺服器PSU 可减少浪费电源，让更多电力由来源传输至负载，进而降低资料中心的营运成本，以及对环境造成的冲击。这项功能可协助资料中心符合80 Plus等日渐严格的效率标准、在宽广的负载范围实现高于平均的钛级效率，并减少排放二氧化碳至环境中。
快速瞬态回应
 在伺服器电源应用中，快速瞬态回应可协助系统稳定可靠地运作，以因应持续变化的负载及输入瞬态。此外，系统也需要符合伺服器电源原始设备制造商日益严格的瞬态回应规格：在2.5 至5 A/µS 达到80% 至100% 的负载跳变。以上参数的图解请参阅图1。

图1 ：瞬态回应参数
更高的功率密度及更大的电源容量
 
伺服器及资料中心的耗电量持续成长，因此需要更大的电源容量。氮化镓(GaN) 等电源技术可在更小空间内实现更大的电源容量，借此实现更精巧的电源供应装置。以即时微控制器(MCU) 控制高切换频率，是这类系统达到高功率密度的关键所在，并可减少整体系统的材料清单。
解决伺服器PSU的设计挑战
 
为了实现前述效益，伺服器PSU 制造商面临多项设计挑战，例如：
 
实作图腾柱无桥式功率因数修正等复杂的功率拓扑结构，以及各种控制演算法，例如零电压切换、零电流切换、同步整流时序，以及由混合迟滞控制进行的电感器-电感器-电容器全桥式DC/DC 转换。
实现即时控制效能，以加速控制环路执行。
于采用GaN 及碳化矽(SiC) 等宽频隙电源装置时减少功率损耗，同时维持更高的切换频率。
为因应伺服器PSU 系统日渐增加的功率效率及功率密度要求，即时MCU 需要具备多项关键功能，例如低延迟讯号链、高脉冲宽度调变(PWM) 弹性及解析度、高控制环路速度，以及高切换频率。图2 为PSU 原理图范例。

图2 ：伺服器电源供应搭配AC/DC及DC/DC级的典型双控制器架构
TMS320F280039C C2000 TM即时MCU 可提供以上所有特性，同时协助满足或减少伺服器PSU 设计预算，并持续透过各种弹性创新的功能，强化整合式即时讯号链(感测、处理及控制)。图3 为F28003x 系列。

图3 ：F28003x MCU扩展C2000即时MCU产品组合
高度准确的感测能力
 
F280039C MCU 能够以本身的整合式类比零组件，在伺服器PSU 实现高功率效率及快速的瞬态回应时间，包括多个4-MSPS 类比数位转换器，具备灵活的启动转换管理功能，以及11 个有效位元数及后处理区块。该MCU也整合快速的类比比较器及最佳化电源控制功能，例如遮蔽、延迟跳脱、尖峰电流模式控制及斜率补偿，以提供精准的功率转换。
高效能处理
 
F280039C以32 位元数位讯号处理器架构结合控制律加速器，提供240 MIPS 以上的即时效能，并具备浮点单元及三角数学单元等功能，可实现更高的功率密度及高瞬态回应，适合处理时间紧迫的复杂计算作业。
灵活的高解析度控制
 
即使在高频率的情况下，也能实现更大的电源容量，并在各个相位之间维持同步，是高瓦特伺服器PSU 系统的必要条件。F280039C 提供150-ps 解析度PWM 通道，具备谷值开关、延迟跳脱、死区时间调整及全域重新载入等功能，可精准控制复杂的功率拓扑结构及控制演算法。整合式的可配置逻辑元件区块则进一步强化PWM 弹性，并与GaN 技术无缝整合连接，实现高功率密度。
C2000即时MCU在伺服器PSU系统的其他效益
 
除了电源管理及快速即时控制的各项趋势，伺服器PSU 也出现几项日渐风行的其他需求，可由F280039C MCU 加以实现：
 
藉由即时韧体更新无缝切换为全新韧体，不中断电源供应，同时透过多库变异搭配多种快闪记忆体选项，以及更快速的快闪记忆体库清除时间，将软体负担降到最低。
通讯介面由PMBus 改为控制器区域网路(CAN) 汇流排(也可能改为CAN-FD)，以实现更快的速度、高资料传输速率及可靠的主机通讯。
透过加密功能实现安全性(例如进阶加密标准、安全启动及安全联合测试工作群组) 以因应业界疑虑，在连结日趋紧密的世界中保护程式码及资料，避免受到外部攻击。
结论
 
F280039C MCU 于C2000 MCU 平台扩展规模，提供各种整合式功能，协助您实现进阶的即时控制，同时降低材料清单成本。F28003x MCU 系列可补足对GAN 及SiC 等宽频隙技术的需求，协助这类技术释放完整潜能，实现更高的功率效率及功率密度，以及更快速的回应时间。简单易用的软体则可协助伺服器PSU 设计人员加速开发作业。