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使用數(shù)字多相控制器為數(shù)據(jù)中心提供支持

發(fā)布時(shí)間:2021-03-01 來源:Yat Tam 責(zé)任編輯:wenwei

【導(dǎo)讀】T服務(wù)的爆炸式增長正在推動(dòng)著數(shù)據(jù)中心、網(wǎng)絡(luò)和電信設(shè)備的重大發(fā)展。而創(chuàng)新需求也對(duì)處理這些日益增多的數(shù)據(jù)的服務(wù)器、存儲(chǔ)和網(wǎng)絡(luò)交換機(jī)產(chǎn)生了一定的影響。在此推動(dòng)下,基礎(chǔ)設(shè)施設(shè)備的處理能力和帶寬都達(dá)到了極限。對(duì)于電源設(shè)計(jì)人員來說,他們面對(duì)的主要挑戰(zhàn)是如何使用最少的電力高效地為數(shù)據(jù)中心設(shè)備供電,并提高它們的散熱性能。而針對(duì)先進(jìn)的 CPU/ASIC 和 FPGA 時(shí),設(shè)計(jì)人員還必須平衡好功耗與散熱性能。
 
多相解決方案改善了數(shù)據(jù)中心的效率和尺寸
 
隨著終端系統(tǒng)功能的增多,處理功率也相應(yīng)提高,以滿足新的數(shù)據(jù)中心設(shè)計(jì)要求。這種高處理能力需求主要集中在數(shù)據(jù)中心應(yīng)用中,數(shù)字中心采用高端 CPU/ASIC 和處理器來運(yùn)行服務(wù)器、存儲(chǔ)和網(wǎng)絡(luò)設(shè)備。服務(wù)器和網(wǎng)絡(luò)設(shè)備則通過電信設(shè)備分布至網(wǎng)絡(luò),然后通過 CPU/ASIC 和 FPGA 的銷售點(diǎn)設(shè)備、臺(tái)式電腦和嵌入式計(jì)算系統(tǒng)進(jìn)行工作。
 
在上述示例中,CPU/ASIC 和處理器具有相似的數(shù)字處理需求,以及相似的功率分布。雖然如今處理器的尺寸不斷縮小,但它們采用了更多的晶體管,因此需要更高的輸出電流,范圍一般在 100A 至 500A 之間,甚至更高,具體由其復(fù)雜程度決定。 該行業(yè)通過在數(shù)字負(fù)載中集成低功率狀態(tài)來調(diào)整這種情況。此舉使得設(shè)備能在空閑時(shí)以更低電流運(yùn)行,在需要時(shí)再按全功率運(yùn)行。這有利于控制整個(gè)系統(tǒng)的功率預(yù)算,但會(huì)給全功率端的電源設(shè)計(jì)人員帶來另一項(xiàng)挑戰(zhàn)。首先,數(shù)據(jù)中心電源必須對(duì)需要在不到 1 微秒的時(shí)間內(nèi)實(shí)現(xiàn)超過 100A 的大階躍載荷做出響應(yīng),同時(shí)還需保持很窄的輸出調(diào)整率。其次,必須小心可靠地管理散熱性能,才能繼續(xù)保持全功率范圍。
 
多相電壓調(diào)節(jié)器模塊(VRM)可以解決這些挑戰(zhàn)。VRM 提供電源轉(zhuǎn)換,一般是從 12V 輸入轉(zhuǎn)換至 1V(或更低)輸出。 要提供如此大的負(fù)載電流,更簡(jiǎn)單的方法是設(shè)計(jì)一個(gè)多相解決方案,將負(fù)載分配給多個(gè)更小的功率級(jí)(所謂的相),而不是嘗試使用單相來提供。在設(shè)計(jì)電磁和功率級(jí),以及要從功耗的角度解決散熱問題時(shí),想要通過單相提供太多電流是一項(xiàng)巨大的挑戰(zhàn)。相比通過單相提供大電流,多相解決方案則具有高效率、小尺寸和低成本等特點(diǎn)。這與多核 CPU 類似,該 CPU 會(huì)拆分末端負(fù)載的工作負(fù)載。
 
對(duì)電源數(shù)據(jù)中心的數(shù)字控制
 
幾十年來,人們一直將模擬控制作為值得信賴的方法和電源系統(tǒng)解決方案。但是,在涉及大電流和高功率應(yīng)用時(shí),模擬控制存在一定的缺陷。對(duì)于高端電源解決方案,電源系統(tǒng)需要更加智能化并能集成到整個(gè)解決方案中,且電源解決方案和主 CPU/ASIC 之間的通信應(yīng)該是一項(xiàng)硬性設(shè)計(jì)要求。
 
因此,數(shù)字控制解決方案非常適合數(shù)據(jù)中心應(yīng)用。 為幫助理解,我們以 MPS 的 MP2888A 為例,這是一款數(shù)字多相控制器,可以替代傳統(tǒng)的模擬控制器。MP2888A 是一款具有 PMBus 和 PWM-VID 接口的 10 相數(shù)字多相控制器 (參見表 1).
 
使用數(shù)字多相控制器為數(shù)據(jù)中心提供支持
表 1: MPS 數(shù)字控制器對(duì)比傳統(tǒng)模擬控制器
 
由于采用數(shù)字控制技術(shù),僅需在封裝中配置一個(gè)單獨(dú)的引腳,MP2888A便可支持PWM-VID。 如果是采用模擬控制器,想要實(shí)現(xiàn)相同的功能,一般需要使用 4個(gè) 引腳并需要額外添加7 個(gè)以上高精度外部元器件 (參見圖 1). 雖然高精度元器件提升了設(shè)備功能,但它們也增加了整體方案成本。 
 
使用數(shù)字多相控制器為數(shù)據(jù)中心提供支持
a) 支持PWM-VID 和 REFIN 的模擬控制器方案電路
 
使用數(shù)字多相控制器為數(shù)據(jù)中心提供支持
b) 支持PWM-VID 和 REFIN 的,集成可編程寄存器MP2888A方案電路
圖1:支持PWM-VID(模擬控制器對(duì)比數(shù)字控制器)
 
傳統(tǒng)的模擬控制器需要采用 RC 電路來構(gòu)建反饋補(bǔ)償環(huán)路。要優(yōu)化補(bǔ)償回路,需要進(jìn)行多次迭代來計(jì)算外部部件的正確值從而滿足多種工作條件。在測(cè)試和重新測(cè)試系統(tǒng)之前,工程師還必須更改這些部件。數(shù)字控制解決方案避免了潛在的重復(fù)勞動(dòng),使系統(tǒng)微調(diào)變得更加容易。
 
因?yàn)榫哂凶詣?dòng)環(huán)路補(bǔ)償功能,數(shù)字控制解決方案無需使用任何外部元器件,且可以通過使用 PMBus 調(diào)整寄存器設(shè)置來輕松完成微調(diào)。還可以使用一個(gè)寄存器來正確設(shè)置公差范圍,由此輕松完成負(fù)載-線性校準(zhǔn)——在超頻期間,此功能非常有用,可以幫助穩(wěn)定 CPU/ASIC。與數(shù)字控制器相比,模擬控制器需要使用14 個(gè)以上外部部件來進(jìn)行環(huán)路補(bǔ)償和負(fù)載-線性校準(zhǔn)(參見圖 2)。 模擬控制器。 (參見圖2). 
 
使用數(shù)字多相控制器為數(shù)據(jù)中心提供支持
圖 2: 負(fù)載-線性和環(huán)路補(bǔ)償(模擬控制器對(duì)比數(shù)字控制器)
 
數(shù)字控制器可以簡(jiǎn)化系統(tǒng)設(shè)計(jì)。 對(duì)于工程師而言,可以幫助簡(jiǎn)化 PCB 布局設(shè)計(jì)。 圖 3 為模擬控制器和數(shù)字控制器對(duì)比圖。 數(shù)字控制器可以節(jié)省 36% 的占板面積,需要的傳統(tǒng)部件數(shù)量不到原來的一半。
 
使用數(shù)字多相控制器為數(shù)據(jù)中心提供支持
圖 3: PCB 布局的復(fù)雜程度(模擬控制器對(duì)比數(shù)字控制器)
 
典型的模擬控制器使用一個(gè) PWM 信號(hào)來驅(qū)動(dòng)單個(gè)功率級(jí)。對(duì)于數(shù)據(jù)中心等高功率應(yīng)用,其處理器要求至少 500A 或更高的負(fù)載電流,一般采用的方法是:
 
1. 選擇相位數(shù)量最多的控制器(例如 20 個(gè)相位)
2. 使用倍相器,通過生成兩個(gè)交錯(cuò)并聯(lián)的信號(hào)(由原始信號(hào)構(gòu)成)來使相位數(shù)量翻倍
 
但是,目前市面上尚沒有 20 相模擬或數(shù)字控制器,而且倍相器會(huì)增加部件數(shù)量和成本,同時(shí)增高系統(tǒng)設(shè)計(jì)的復(fù)雜性。
 
與此相反,數(shù)字控制器(例如 MP2888A)可以通過一個(gè)通用 PWM 信號(hào)來驅(qū)動(dòng)兩個(gè)功率級(jí) (參見圖4).此類數(shù)字控制器無需采用倍相器,還可確保兩個(gè)功率級(jí)之間的均流。因此,一個(gè) 10 相數(shù)字多相控制器堪比 20 相系統(tǒng)設(shè)計(jì)。 
 
使用數(shù)字多相控制器為數(shù)據(jù)中心提供支持
圖 4: MP2888A 采用一個(gè)常用 PWM 信號(hào)來驅(qū)動(dòng)兩個(gè)Intelli-PhaseTM設(shè)備
 
結(jié)論
 
多相解決方案已逐步發(fā)展為數(shù)字控制方案,它能夠更有效地解決大電流/功率應(yīng)用挑戰(zhàn),例如數(shù)據(jù)中心此類應(yīng)用。通過采用數(shù)字控制解決方案,可以大幅降低部件選擇、環(huán)路/性能優(yōu)化和布局等帶來的負(fù)擔(dān)。這些控制解決方案縮短了整體設(shè)計(jì)和解決系統(tǒng)故障所需的時(shí)間,最終加快了上市速度。
 
 
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