适用于密集服务器的电源转换器的设计方案

密度已成为计算机服务器设计的关键因素。摩尔定律使得将多个高性能内核与支持逻辑一起放在单个片上系统（SoC）器件上成为可能。高密度现场可编程门阵列（FPGA）为应用加速和集成提供了进一步的可能性。

结果是在系统内的每个逻辑板上部署了多个高性能SoC组件，以提供巨大的计算潜力。然而，推动更高集成度的工艺技术的变化对服务器内的功率分配产生了连锁反应。

处理器和FPGA设计团队将核心逻辑的电源电压降至1 V或更低。使用更高的电压会导致高速晶体管损坏。 1.8 V至3 V范围内的电压仅用于存储器和外设的I/O.这导致了与十年前相比，需要向处理器和FPGA提供更高电流水平的情况。这一趋势排除了传统电源转换架构的使用。高电流需求通常指向使用能够处理高负载和应力的较大无源元件。然而，这种较大的组件与更密集的服务器的趋势相反，减少了电源转换电路的可用PCB空间量。因此，适用于服务器的电源转换器制造商已经改变了他们的设计方法。

一个趋势是开关频率的增加，以减少峰值电流需求，这有助于保持无源元件的尺寸，如尽管需要精心设计技术来减少开关损耗的影响，但电容器应尽量减少。

今天，构建服务器的最有效方法是采用分布式电源架构，其中一个或多个前端PSU向中间和负载点（POL）DC/树提供电流直流转换器。分配电压高于处理器和FPGA所需的分配电压，以最大限度地减少布线损耗。一个关键的决定是需要设置配电电压的水平。

将POL电源电压降低到1 V或更低导致转换器设计人员需要处理大输入/输出比，即使常用的分配电压为12 V.为了支持机架上的较低损耗，制造商正在考虑使用24 V，36 V或甚至48 V常用的高电压进行两级转换在电信交换机中，在电路板上转换为12 V或5 V，最终的POL转换器提供核心逻辑所需的低于1 V的电压。然而，通过支持更大的比率，一些面向POL的产品可以支持更高的中间电压而无需二次转换阶段。

图1：单和用于中间配电的两级选项。

Vicor制造的Picor PI33XX Cool-Power降压稳压器系列采用高性能零电压开关（ZVS）拓扑结构，可提供高达98％的电源效率。采用ZVS拓扑结构可实现高频操作，从而最大限度地降低与使用硬开关拓扑结构的传统降压调节器相关的开关损耗。 PI33XX系列的高开关频率还减小了外部滤波元件的尺寸，提高了功率密度，同时实现了对线路和负载瞬态的快速动态响应。 PI33XX降压稳压器可将8 V至36 V的输入电源转换为1 V至16 V的输出电压，输出电流最高可达10 A，可提供高达120 W的功率。

PI33XX中的产品该系列与控制电路，功率半导体和支持元件高度集成，采用10 x 1 x 2.56 mm系统级封装（SiP）。通过使用单线电流共享交错多达六个PI33XX降压调节器而无需额外组件，可以进一步提高功率输出。 PI33XX系列降压调节器仅需外部电感和最小陶瓷电容，用于输入和输出滤波，形成完整的高性能稳压器。无需频率补偿，参数设置或增量外部组件。 -40°C至125°C的宽工作温度范围允许在几乎任何环境中使用。

图2：Picor等设备Cool-Power展示了高度集成。

为了在最小输出电容的小型封装中提供高效率，International Rectifier的Gen3 SupIRBuck系列采用专有的调制器方案，可在需要高频和高带宽操作时实现抖动和无噪声操作提供良好的瞬态响应。 12 A IR3894等产品可以承受1 V至21 V的输入电压，并提供低于1 V的低于1 V输出，以支持最新的SoC。开关频率可在300 kHz至1.5 MHz范围内进行编程，具有很高的灵活性。 IR3894采用薄型5 x 6 mm QFN封装。与该系列中的其他产品一样，低调且良好的散热性能允许在没有散热器的情况下使用，这意味着该器件可以安装在PCB的背面，为处理器和正面支持逻辑提供更多空间。对于SupIRBuck系列产品的整体而言，IR与其他集成解决方案相比，PCB空间节省20％，与分立解决方案相比节省60％。

适用于5 V或12 V中间产品，Altera的Enpirion EN2392QI是一系列用于高密度FPGA的功率转换器之一。 Enpirion架构采用高速MOSFET技术来支持兆赫兹的开关频率。 EN2392QI将控制器，功率MOSFET，补偿网络和电感器集成在一个11 mm x 10 mm封装中，一旦包含外部元件，总解决方案面积为235 mm 2 ，并提供超过的效率宽负载范围内的百分之九十 - 从3A到大于8A。

在开关损耗开始主导转换器的整体功率损耗之前，开关频率可以增加多远可能有限。超过临界频率，效率将开始下降。多相或多相拓扑提供了解决此问题的方法。在该架构中，转换器将电路分成两个或更多个相。每个阶段负责提供负载所需总功率的一小部分。增加相位使得有可能实现高频操作的承诺而不会减少实际的开关周期。有效工作频率实际上是基本开关频率乘以相数。总体效果是改善瞬态响应并减少纹波，而不会产生在更高基频下运行的问题。

通过将转换器连接在一起，与Picor Cool-Power器件一样，可以使用多相在高开关速度下增加总功率水平的操作。多相兼容器件的一个例子是凌力尔特公司LTM4630，这是一种双输出独立非隔离开关模式DC/DC电源。它可以提供两个18 A输出，相对较少的外部输入和输出电容和设置组件。

该模块提供精确调节的输出电压，可通过4.5 V至1.5 V输入电压的0.6 VDC至1.8 VDC外部电阻进行编程，适合采用两级中间总线架构的服务器设计。 LTM4630具有双集成恒定频率电流模式稳压器和内置功率MOSFET器件，经过优化，可在500 kHz频率范围内进行开关。

通过连接器件之间的多个引脚并将相位控制引脚编程为不同每个级别的级别，六个设备上最多12个阶段可以级联，以便彼此同时运行。由于服务器处理器通常会关闭轻型工作负载，因此可以通过可选的突发模式操作或使用控制引脚的脉冲跳跃操作在这些条件下实现高效率。

图3：采用凌力尔特LTM4630的四相配置。

通过专注于先进的控制和新颖的SIP技术，功率转换器设计人员正在帮助提高计算机服务器的密度并提高性能在不牺牲效率的情况下装入狭小的空间。 MOSFET技术和控制算法的进一步改进可能会进一步提高效率和热量。