云服務(wù)規(guī)模的指數(shù)式增長推動了數(shù)據(jù)中心、網(wǎng)絡(luò)和電信設(shè)備領(lǐng)域發(fā)生顯著進步。通過互聯(lián)網(wǎng)協(xié)議（IP）地址連接到云的物聯(lián)網(wǎng)（IoT）設(shè)備數(shù)量，已經(jīng)超過地球上人口的數(shù)量。這些增長對處理不斷增加的數(shù)據(jù)和視頻的服務(wù)器、存儲器和網(wǎng)絡(luò)交換機帶來了巨大影響，正將基礎(chǔ)設(shè)施設(shè)備的處理能力和帶寬推到極限。對電源設(shè)計工程師而言，主要挑戰(zhàn)在于如何高效地為這些設(shè)備供電和散熱，同時將用電量降到最低。

工程師在使用目前的先進處理器、ASIC和FPGA時還必須平衡電路板電源占位面積與散熱。

本文綜述了多相轉(zhuǎn)換器架構(gòu)的演變，并比較了不同的控制模式方案；同時介紹了一個采用綜合電流控制的新型多相控制器系列。控制技術(shù)的這一進步使電源解決方案能夠提供逐周期的電流平衡和更快的瞬態(tài)響應(yīng)，同時以零延時跟蹤每個相電流。

多相技術(shù)發(fā)展到為IoT供電

隨著終端系統(tǒng)功能的不斷增加，對處理能力的要求也相應(yīng)增加。處理能力主要集中于數(shù)據(jù)中心，在這里，高端CPU、數(shù)字ASIC和網(wǎng)絡(luò)處理器運行服務(wù)器 、存儲器及網(wǎng)絡(luò)設(shè)備。它們通過電信設(shè)備分布于網(wǎng)絡(luò)，用于PoS機、臺式計算機或使用CPU或FPGA的嵌入式計算系統(tǒng)的事務(wù)處理。

這些設(shè)備的共同點是其數(shù)字處理需求具有相似的功率分布曲線（power profile）。隨著處理器尺寸的減小和晶體管數(shù)量的增加，處理器現(xiàn)在需要更高的輸出電流，范圍為100A至400A或更高，具體取決于其復(fù)雜度。這個趨勢已持續(xù)多年，業(yè)界一直能夠通過將更低的電源狀態(tài)集成進數(shù)字負載來適應(yīng)。這使數(shù)字負載能夠在不使用時消耗更低的電流，在需要時達到功率峰值。不過，雖然這有利于整體系統(tǒng)功率分配，但會給電源工程師帶來另一個挑戰(zhàn)。一方面仍需要提供超過200A的滿載電流并進行熱管理，另一方面電源必需在不到一微秒時間內(nèi)對超過100A的大負載階躍作出反應(yīng)，同時將輸出保持在窄穩(wěn)壓窗口之內(nèi)。

在終端系統(tǒng)中，常見解決方案一直是使用多相DC/DC降壓轉(zhuǎn)換器來提供所需的功率轉(zhuǎn)換，通常是從12V輸入轉(zhuǎn)換為約1V輸出。要提供大負載電流，設(shè)計將負載分布到多個較小的級（稱為相）的多相解決方案比通過一個級來提供更容易。從（I^2）*R角度來看，想在一個相中處理過高電流會給設(shè)計磁性元件和FET以及熱管理帶來挑戰(zhàn)。對于大電流要求，多相解決方案與單級方案相比可提供高效率、更小的尺寸和更低的成本。此方法類似于終端負載所采取的技術(shù)方向，即多核CPU劃分工作負載。圖1顯示了使用四個相為CPU提供150A電流的多相解決方案。

圖1. 使用四個相的多相解決方案

合適的控制方案

多相解決方案提供最佳的電源架構(gòu)， 但需要認真評估實現(xiàn)方式，以匹配最新一代處理器。終端系統(tǒng)的趨勢始終是更強的性能、更小的尺寸和更好的電源管理。這一趨勢體現(xiàn)在電源設(shè)計中，就是通過增加開關(guān)頻率來將尺寸縮到最小，并在滿載和瞬態(tài)條件下以更高的電流管理更低的輸入電壓。這些趨勢已帶來了電源穩(wěn)壓方面的問題，要求控制回路相應(yīng)改善。多相控制器領(lǐng)域的主要挑戰(zhàn)是管理每個相的電流，這需要考慮以下要點：

? 每個相電流必須平均分擔(dān)負載。如果存在N個相，則每個相的電流始終應(yīng)為Iphase = Iout / N。

? 穩(wěn)態(tài)和瞬態(tài)期間相電流必須平衡。

保持這些條件很重要，否則你可能要不斷反復(fù)設(shè)計電源。例如，穩(wěn)態(tài)期間相電流失衡會導(dǎo)致熱失衡。而在瞬態(tài)條件下，如果僅有一個相對負載階躍做出反應(yīng)，那么其電感器尺寸會明顯過大，違背了多相設(shè)計的初衷。

為滿足上述兩個條件，重要的是控制回路始終完全了解相電流和輸出電壓，沒有延時或采樣延遲現(xiàn)象。

采用綜合電流控制方案

相對于在電壓控制方面采用變通方法來避免電流感測問題，還有一種新方案可以解決這個問題。利用先進的數(shù)字控制技術(shù)，Intersil在該領(lǐng)域?qū)崿F(xiàn)了突破。通過將整個控制、監(jiān)測和補償放到數(shù)字域中，可以運用先進的控制方法論，由此產(chǎn)生的綜合電流控制回路能夠提供逐周期的相電流均衡和快速瞬態(tài)響應(yīng)。

該新控制方案的產(chǎn)生，起源于對下面這個問題的認識：盡管高邊電流信號在回路中很關(guān)鍵，但由于開啟時間短和高噪聲環(huán)境，無法進行直接測量。而Intersil控制器使用人工生成的綜合電流信號，具備無噪聲、準確、并且無延時的優(yōu)點。其基本原理是，決定相電流涉及的所有參數(shù)在每個周期均可直接測量，從而允許控制器獲得電流值，如圖2的電流波形所示。

圖2. 電感器電流波形

電流波形的斜率與輸入/輸出電壓和電感有關(guān)。通過持續(xù)測量電壓和計算電感，可以生成綜合電流波形。通過電流向下補償過程中的實際測量進行校準，有助于控制器消除由于電流失調(diào)或斜率而產(chǎn)生的誤差。這有助于控制器補償系統(tǒng)由于老化、發(fā)熱或電感飽和導(dǎo)致的任何變化。除了內(nèi)部無噪聲電流波形，控制器還可以控制回路延時。由于電感電流斜坡由脈沖寬度調(diào)制（PWM）計時，而PWM的信號是從控制器發(fā)出，數(shù)字回路可以通過Intersil智能功率級來控制所有傳播延時，從而消除內(nèi)部電流波形延時。

此功能只是在有電流和電壓信息的數(shù)字域中采用整個回路控制而獲得的好處之一。圖3的框圖顯示了數(shù)字信號處理可以應(yīng)用于許多領(lǐng)域，以改善總體響應(yīng)。電壓回路補償?shù)膶崿F(xiàn)使用傳統(tǒng)PID系數(shù)，該系數(shù)可通過Intersil PowerNavigator? GUI實時調(diào)整。在具有非常嚴格電壓窗口的情況下，通過使用交流電流反饋可進一步提升瞬態(tài)性能。通過實施可調(diào)節(jié)濾波器和閾值，可將動態(tài)的負載變化直接注入回路，從而提供與負載階躍成比例的更快響應(yīng)。

圖3. 控制回路的框圖

綜合電流控制的優(yōu)勢

綜合電流控制的優(yōu)勢是現(xiàn)在可以設(shè)計具有逐周期電流平衡和快速瞬態(tài)響應(yīng)的多相電源。每個相的電流是準確已知的，從而允許器件在連續(xù)負載瞬態(tài)條件下保持穩(wěn)定工作，其中所有的相平均分擔(dān)電流。與電流反饋通路中的零延時相結(jié)合，綜合電流控制使器件能夠更快地響應(yīng)負載條件，從而將輸出電容降到最低。即使在使用大電流CPU的情況下，也可以使用“全陶瓷”輸出電容器解決方案。利用零延時、全帶寬、數(shù)字電流波形，控制回路可按照負載線路精確定位輸出電壓，模仿負載分布曲線的響應(yīng)。這可避免在輸出電壓穩(wěn)定到新目標電壓時出現(xiàn)的傳統(tǒng)模擬RC衰減。圖4顯示了在無需負載線路的情況下，器件仍能夠滿足任何負載瞬變要求，同時使器件電壓穩(wěn)定。

圖4. 90A負載階躍的瞬態(tài)響應(yīng)

如圖所示，綜合電流控制回路有助于多相控制器為CPU、FPGA和ASIC等現(xiàn)代大電流負載供電。對相電流的準確控制和定位，有助于控制器以最小輸出電容滿足任何瞬變條件的要求，同時又不會使電感器尺寸過大。

結(jié)論

多相控制架構(gòu)已進入數(shù)字時代，這非常有助于解決為現(xiàn)代大電流負載供電的挑戰(zhàn)。這一優(yōu)勢已在革命性的綜合電流控制方案所提供的瞬態(tài)響應(yīng)和相均衡方面有所體現(xiàn)，另外它還為電源設(shè)計的其他許多方面帶來優(yōu)勢，只是尚未展開討論。其中一個不容忽視的方面是，通過軟件調(diào)節(jié)、控制和監(jiān)測各項設(shè)置的能力。從高層面看，這提供了更簡單的回路設(shè)計及調(diào)諧方案，因為我們可以使用如PowerNavigator GUI等軟件界面，用幾分鐘就能建立完整的設(shè)計。但在需要調(diào)試系統(tǒng)時，電路板方面的影響就明顯了。即刻了解電源的狀態(tài)和條件，以及通過可調(diào)節(jié)濾波器和實時軟件控制對噪聲條件進行補償，有助于設(shè)計工程師克服任何挑戰(zhàn)而無需重新設(shè)計電路板。這些無形的優(yōu)勢將使得越來越多的電源采用數(shù)字控制方案。

關(guān)于作者

Chance Dunlap是瑞薩電子旗下子公司Intersil的基礎(chǔ)設(shè)施電源總監(jiān)。他在電力電子行業(yè)有17年從業(yè)經(jīng)驗，從事過應(yīng)用、業(yè)務(wù)開發(fā)和營銷等工作，涉及從數(shù)字電源到隔離式控制器等廣泛的電源產(chǎn)品。他擁有六項專利，發(fā)表了多篇技術(shù)論文，曾在諸多專題討論會和大會上演講。Chance擁有美國普渡大學(xué)電子工程學(xué)士學(xué)位（BSEE）和美國亞利桑那大學(xué)工商管理碩士學(xué)位（MBA）。