如何为存储应用选择 DCDC 转换器

1、前言

在全球云计算发展和数据中心持续建设的推动下，全球存储设备出货量呈爆发式增长。作为存储设备的关键部件，为存储设备（固态硬盘[SSD]和内存）供电的DC/DC转换器的需求也呈现出较快的增长趋势。

图 1 显示了企业固态驱动器 (SSD) 的简化电源架构。第一级是保护和后备电路；此应用的输入电压通常为 12 V。第二级需要 DC/DC 转换器以获得更高的电流 (>6 A)。在第三阶段，在轨中添加了低压差稳压器，对电压波动非常敏感。

图 1：企业 SSD 的简化电源架构

在这种SSD中，DC/DC转换器需要满足几个要求：输出电压波动小、效率高和解决方案尺寸小。

除了那些非常敏感的电源轨，由降压转换器提供的其余电源轨也需要较小的电压输出波动，以不仅支持恒定负载下的低输出电压纹波（即使在满载时也低于 1% * V OUT），而且还在负载瞬态中提供小的过冲/下冲。这是因为大的电压波动会有NAND退化和控制器不稳定的风险，这会缩短系统寿命甚至造成损坏。

在大多数应用中，效率是 DC/DC 转换器的重要指标，这一点也不例外。高效率可以防止功率损耗并提高热性能。高效率对于 SSD 也非常关键，因为过高的温度会降低每秒的输入/输出速度，并可能损坏 SSD。

随着数据的爆炸式增长，工程师希望在一个数据中心内放置越来越多的存储单元。这也挑战了 DC/DC 转换器的解决方案尺寸。它不仅需要更小的尺寸才能提供更高的功率密度，而且对高度的要求也更高。

鉴于这些苛刻的要求——尤其是输出纹波——工程师将在输出中添加越来越多的电容器（200 -~500 µF in 8 A），以将纹波保持在较小的电压。

但是增加更多的电容器不仅会削弱负载瞬态的性能，还会扩大解决方案尺寸并增加物料清单成本。因此，必须在输出稳定性和解决方案尺寸之间进行权衡，即使较大的解决方案尺寸有助于散热。

图 2 是 TI 新发布的 TPS568230 的示意图。它是一款具有 D-CAP3™ 控制模式的 18V IN、8A 降压转换器，可提供快速瞬态响应，无需外部补偿元件和准确的输出电压。

它可以实现满载时小于 10 mV 的输出纹波和更快的负载瞬态响应，在 600 kHz 开关频率下仅使用四块 22 µF * 4pcs，如图 3 所示。负载阶跃来自2 A 至 6 A，压摆率为 2.5 A/µS。峰峰值输出电压纹波仅为55 mV，可有效避免NAND劣化及相关损坏风险。

图 2：TPS568230 降压转换器原理图

图 3：满载时的输出纹波 (a)；负载瞬态性能 (b)（V IN = 12 V，V OUT = 1.05 V，F SW = 600 kHz）

TPS568230具有低 R DS(on)（19.5 mΩ 高侧，9.5 mΩ 低侧），可提供良好的效率。图 4 显示了热性能。

图 4：TPS568230 热性能（V IN = 12 V，V OUT = 1.05 V，I OUT = 8 A，F SW = 600 kHz，10 分钟）

TPS568230 的封装尺寸仅为 3 mm x 3 mm 2，最高 1 MHz 开关频率也有助于适应高功率密度应用。特别值得一提的是，在 1.05-V 输出电压和 1-MHz 开关频率下，电感值仅为 0.33 µH（Würth：744373240033，4.45 毫米 x 4.06 毫米 x 1.8 毫米），可同时节省电源解决方案尺寸和高度。图 5 是印刷电路板的模型。总溶液尺寸小于185 mm 2且高度小于2 mm。

图 5：具有 1MHz 开关频率的解决方案尺寸

TPS568230 满足快速负载瞬态和高功率密度要求，以及降低物料清单成本。它非常适合具有类似电源轨要求的存储应用程序以及路由器、交换机和服务器。