多相DC/DC轉換器在整個(gè)負載范圍內提供高效率

概述
近年來(lái)，隨著(zhù)因特網(wǎng)服務(wù)需求量的顯著(zhù)增長(cháng)，全球數據中心的電力消耗已經(jīng)成為一個(gè)重要的問(wèn)題。數據中心可編排網(wǎng)頁(yè)、實(shí)現社會(huì )網(wǎng)絡(luò )和流媒體服務(wù)、提供音樂(lè )和視頻下載、提供互聯(lián)網(wǎng)訪(fǎng)問(wèn)以及運行仿真。另外，它們還為銀行及其他金融業(yè)務(wù)的傳統和私人用戶(hù)提供了計算能力。數據中心常常占據多間房屋、多個(gè)樓層甚至整幢大樓，包含計算機、存儲和網(wǎng)絡(luò )設備。在 2000 年至 2005 年間，數據中心的總用電量翻了一番 ── 從每年 700 億度增加到了 1400 億度，并繼續以 16.7% 的平均增長(cháng)率逐年攀升，而亞太地區 (不包括日本) 是世界上僅有的一個(gè)遠遠超過(guò)該平均增長(cháng)率的主要地區 [資料來(lái)源：“Worldwide electricity used in data centers”，Jonathan Koomey 撰文，美國勞倫斯伯克力國家實(shí)驗室，2008 年]。

數據中心所采用的計算機 (常稱(chēng)為服務(wù)器) 與 PC 架構相似，具有一個(gè) CPU、ASIC、FPGA 和存儲器。然而，與 PC 不同的是，數據中心里的服務(wù)器盡可能緊密地組合在一起且耗用大量的電力，因而產(chǎn)生了必須散逸的熱量。功率通過(guò)不間斷電源系統 (UPS) 輸送至這些服務(wù)器，其后通常設有一個(gè)分布式電源系統和用于負載點(diǎn) (POL) 供電的降壓型 DC/DC 轉換器。此類(lèi)功率輸送方法的效率達不到 100%，而且會(huì )產(chǎn)生大量的熱量。必須謹慎和持續不斷地管理這些熱量，以使系統在其規定的工作溫度范圍內運行。無(wú)論冷卻系統的類(lèi)型和效率如何，都必須采取某種方法將熱量從數據中心去除。而要做到這一點(diǎn)，就必需使用額外的能量來(lái)運作冷卻設施。

據估計，由于低效率和冷卻系統所造成數據中心增加額外功耗與服務(wù)器、存儲和網(wǎng)絡(luò )設備所消耗的功率量大致相等。單臺 PC、工作站或筆記本電腦的用戶(hù)并不會(huì )把系統發(fā)熱看作一個(gè)問(wèn)題，但對于數據中心而言，管理這種熱開(kāi)銷(xiāo)的重要性絲毫不亞于服務(wù)器本身。如果降低了系統功率，那么可用開(kāi)銷(xiāo)就能夠處理一個(gè)更大的 IT 負載并完成更多有用的工作，而功耗水平保持不變。

由于數據中心的功率需求持續增加，因此必需進(jìn)行效率較高的功率轉換以減少被作為熱量而浪費掉的功率。智能型多相控制器技術(shù)是一種適合大電流 POL 應用的絕佳解決方案。該架構使得大電流穩壓器能夠在滿(mǎn)負載條件下實(shí)現大大超過(guò) 90% 的效率。然而，此類(lèi)設計大多數不滿(mǎn)足在輕負載到中等負載時(shí)實(shí)現較高效率的需求。節省輕負載至中等負載時(shí)浪費的電力與節省重負載時(shí)浪費的電力一樣重要。

大部分嵌入式系統通過(guò) 48V 背板來(lái)供電。這個(gè)電壓正常情況下被降至較低的 24V、12V 或 5V 中間總線(xiàn)電壓，用于向系統內部的電路板支架供電。不過(guò)，要求這些電路板上的大多數子電路或 IC 在不到 1V 至 3.3V 的電壓范圍內、以數十 mA 至數百 A 的電流工作。因此，要從 24V、12V 或 5V 電壓軌降至子電路或 IC 所需的電壓和電流值，POL DC/DC 轉換器是必不可少的。

顯然，人們希望在電壓不斷下降的情況下增加電流，這種日漸增長(cháng)的需求將繼續推動(dòng)電源產(chǎn)品的開(kāi)發(fā)。這一領(lǐng)域的很多成果可以追溯到功率轉換技術(shù)領(lǐng)域中所取得的進(jìn)步，特別是電源 IC 和功率半導體器件的改善?？傮w而言，這些組件對提高電源性能起到了很大作用，因為它們允許在對功率轉換效率影響最小的前提下提高開(kāi)關(guān)效率。這是通過(guò)降低開(kāi)關(guān)和接通狀態(tài)損耗，從而在提高效率的同時(shí)可允許高效地去除熱量。不過(guò)，向較低輸出電壓轉變給這些因素施加了更大的壓力，這反過(guò)來(lái)又導致了極大的設計挑戰。

多相拓撲結構
多相運作是轉換拓撲結構的一般性術(shù)語(yǔ)，在這類(lèi)拓撲結構中，由兩個(gè)或更多個(gè)轉換器處理單個(gè)輸入，而且這些轉換器相互同步但以不同和鎖定的相位運行。這種方法降低了輸入紋波電流、輸出紋波電壓以及總的 RFI (射頻干擾) 特征值，同時(shí)提供了單個(gè)大電流輸出或具完全穩定輸出電壓的多個(gè)較低電流輸出。這種方法還允許使用較小的外部組件，從而造就效率較高的轉換器，并且提供了以更少的冷卻措施改善熱量管理這種附加的好處。

盡管一般而言，降壓型轉換器是更為普遍的應用，但是多相拓撲結構可以配置為降壓型、升壓型甚至正激式轉換器。如今，從 12V_IN至 1.xV_OUT的轉換效率高達 95% 是很普遍的。

在較高的功率電平條件下，可擴展型多相控制器運用輸入和輸出紋波電流抵消 (通過(guò)對多個(gè)并聯(lián)功率級的時(shí)鐘信號進(jìn)行交錯處理而得以實(shí)現) 來(lái)縮減電容器和電感器的尺寸和成本。通過(guò)集成 PWM (脈寬調制) 電流模式控制器、真正的遠端采樣、可選的定相控制、固有的電流均分能力、大電流 MOSFET 驅動(dòng)器、以及過(guò)壓和過(guò)流保護功能，多相轉換器有助于最大限度地減少外部組件數目和簡(jiǎn)化整個(gè)電源設計。這簡(jiǎn)化了制造過(guò)程，從而不僅有助于提高電源的可靠性，還使電源成為可擴展的。此類(lèi)系統最多可擴展至 12 個(gè)相位，以提供高達 300A 的大電流輸出。

凌力爾特公司擁有好幾款多相 DC/DC 控制器，包括適合大電流 POL 轉換的 LTC3856 和 LTC3829 單路輸出同步降壓型控制器。這些器件不僅能夠提升滿(mǎn)負載效率，而且還具備一種任選的“逐級遞減”(Stage Shedding^TM) 功能，該功能可降低輕負載至中等負載時(shí)的功率損耗。圖 1 中的電路示出了 LTC3856 的一款典型應用原理圖，該電路用于利用兩個(gè)相位從一個(gè) 4.5V~14V 輸入電壓產(chǎn)生 1.5V/50A 輸出。

圖 1：大輸出電流 1.5V/50A 應用電路原理圖

圖 2 中的電路顯示了一款典型的 LTC3829 應用原理圖，該電路采用 3 個(gè)相位從 6V~28V 輸入電壓產(chǎn)生一個(gè) 1.2V/75A 輸出。

圖 2：大輸出電流 1.2V/75A 應用電路原理圖

LTC3856 具有兩個(gè)通道，且使用多個(gè) IC 能實(shí)現多達 12 個(gè)相位。LTC3829 具有 3 個(gè)通道，當使用兩個(gè) IC 時(shí)，能以多達 6 個(gè)相位運作。內置的差分放大器負責提供對正和負終端的真正遠端輸出電壓采樣，從而實(shí)現了高準確度穩壓，而不受走線(xiàn)、過(guò)孔和互連線(xiàn)中 IR 損耗的影響。

額外的好處
這些控制器采用全 N 溝道 MOSFET，在 4.5V~38V 的輸入電壓范圍內工作，并能產(chǎn)生 0.6V~5V、準確度為 ±0.75% 的輸出電壓。通過(guò)對輸出電流檢測，或通過(guò)使用一個(gè)檢測電阻器來(lái)監視輸出電感器 (DCR) 兩端的壓降，以實(shí)現最高的效率?？删幊?DCR 溫度補償在很寬的溫度范圍內保持了準確的過(guò)流限制設定點(diǎn)。強大的內置柵極驅動(dòng)器最大限度地降低了 MOSFET 的開(kāi)關(guān)損耗，并允許使用多個(gè)并聯(lián)連接的 MOSFET。固定工作頻率可設定為 250kHz 至 770kHz，或者利用其內部 PLL 同步至一個(gè)外部時(shí)鐘。僅為 90ns 的最短接通時(shí)間使 LTC3729 和 LTC3856 非常適用于高降壓比 / 高頻應用。

逐級遞減操作
在輕負載條件下，與開(kāi)關(guān)切換有關(guān)的功率損耗通常左右著(zhù)一個(gè)開(kāi)關(guān)穩壓器的總損耗。在輕負載時(shí)消除一個(gè)或多個(gè)輸出級的柵極電荷和開(kāi)關(guān)損耗將極大地提高效率。

逐級遞減操作模式允許在輕負載情況下關(guān)斷一個(gè)或多個(gè)相位，以降低與開(kāi)關(guān)切換有關(guān)的損耗，而且這種操作模式通常在負載電流降至不到 15A 時(shí)使用?？傮w效率可以提升 13% 之多，如圖 3 所示。這張圖還顯示了較早和可比較的 LTC3729 兩相控制器的效率。由于更強的柵極驅動(dòng)和更短的死區時(shí)間，LTC3856 能夠在整個(gè)負載范圍內實(shí)現比 LTC3729 約高 3% 至 4% 的效率。

圖 3：采用逐級遞減相位時(shí) LTC3856 的效率曲線(xiàn) (與較早的一款控制器做了對比)

當內置反饋誤差放大器的輸出電壓達到用戶(hù)可編程電壓時(shí)，就觸發(fā)逐級遞減操作模式。在這個(gè)編程電壓上，該控制器關(guān)斷它的一個(gè)或多個(gè)相位，并阻止功率 MOSFET 的接通和斷開(kāi)。這種能設置何時(shí)觸發(fā)逐級遞減操作模式的能力帶來(lái)了能決定何時(shí)進(jìn)入這種操作模式的靈活性。圖 4 中顯示了 SW 波形以及 LTC3829 怎樣進(jìn)入和退出逐級遞減操作模式。

圖 4：LTC3829 逐級遞減相位波形：(a) 進(jìn)入逐級遞減操作模式，和 (b) 退出逐級遞減操作模式

LTC3856 和 LTC3829 能以 3 種模式中的任意一種來(lái)運作：突發(fā)模式 (Burst Mode?) 操作、強制連續模式或逐級遞減模式，所有這 3 種模式均可由用戶(hù)來(lái)選擇。在超過(guò) 15A 的重負載條件下，這些器件以恒定頻率 PWM 模式運作。在負載非常輕的情況下，可以選擇突發(fā)模式操作，并將在負載電流不到 0.5A 時(shí)產(chǎn)生最高的效率。突發(fā)模式操作在一個(gè)周期至幾個(gè)周期的脈沖串之間切換，而由輸出電容器在內部睡眠期間提供能量。

有源電壓定位
LTC3856 和 LTC3829 還具備有源電壓定位 (AVP) 功能，該功能在階躍負載期間減小最大電壓偏離，并在較重負載時(shí)降低功耗，從而進(jìn)一步提高了其效率。圖 5 示出了圖 1 中的電路在采用和未采用 AVP 時(shí)的工作特性差異。未采用 AVP 時(shí)，就一個(gè) 25A 階躍負載而言，最大電壓偏離為 108mV。而采用 AVP 時(shí)，對