多相解決方案改善了數據中心的效率和尺寸

 

隨sui著zhe終zhong端duan係xi統tong功gong能neng的de增zeng多duo，處chu理li功gong率lv也ye相xiang應ying提ti高gao
，以yi滿man足zu新xin的de數shu據ju中zhong心xin設she計ji要yao求qiu。這zhe種zhong高gao處chu理li能neng力li需xu求qiu主zhu要yao集ji中zhong在zai數shu據ju中zhong心xin應ying用yong中zhong
，數shu字zi中zhong心xin采cai用yong高gao端duan CPU/ASIC 和處理器來運行服務器、存儲和網絡設備。服務器和網絡設備則通過電信設備分布至網絡，然後通過 CPU/ASIC 和 FPGA 的銷售點設備、台式電腦和嵌入式計算係統進行工作。

 

在上述示例中，CPU/ASIC 和he處chu理li器qi具ju有you相xiang似si的de數shu字zi處chu理li需xu求qiu
，以yi及ji相xiang似si的de功gong率lv分fen布bu。雖sui然ran如ru今jin處chu理li器qi的de尺chi寸cun不bu斷duan縮suo小xiao，但dan它ta們men采cai用yong了le更geng多duo的de晶jing體ti管guan，因yin此ci需xu要yao更geng高gao的de輸shu出chu電dian流liu
，範fan圍wei一yi般ban在zai 100A 至 500A 之間，甚至更高
，具體由其複雜程度決定。 該(gai)行(xing)業(ye)通(tong)過(guo)在(zai)數(shu)字(zi)負(fu)載(zai)中(zhong)集(ji)成(cheng)低(di)功(gong)率(lv)狀(zhuang)態(tai)來(lai)調(tiao)整(zheng)這(zhe)種(zhong)情(qing)況(kuang)。此(ci)舉(ju)使(shi)得(de)設(she)備(bei)能(neng)在(zai)空(kong)閑(xian)時(shi)以(yi)更(geng)低(di)電(dian)流(liu)運(yun)行(xing)，在(zai)需(xu)要(yao)時(shi)再(zai)按(an)全(quan)功(gong)率(lv)運(yun)行(xing)。這(zhe)有(you)利(li)於(yu)控(kong)製(zhi)整(zheng)個(ge)係(xi)統(tong)的(de)功(gong)率(lv)預(yu)算(suan)
，但(dan)會(hui)給(gei)全(quan)功(gong)率(lv)端(duan)的(de)電(dian)源(yuan)設(she)計(ji)人(ren)員(yuan)帶(dai)來(lai)另(ling)一(yi)項(xiang)挑(tiao)戰(zhan)。首(shou)先(xian)

，數(shu)據(ju)中(zhong)心(xin)電(dian)源(yuan)必(bi)須(xu)對(dui)需(xu)要(yao)在(zai)不(bu)到(dao) 1 微秒的時間內實現超過 100A 的大階躍載荷做出響應，同時還需保持很窄的輸出調整率。其次，必須小心可靠地管理散熱性能
，才能繼續保持全功率範圍。

 

多相電壓調節器模塊（VRM）可以解決這些挑戰。VRM 提供電源轉換，一般是從 12V 輸入轉換至 1V（或更低）輸出。 要提供如此大的負載電流，更簡單的方法是設計一個多相解決方案，將負載分配給多個更小的功率級（所謂的相）
，而er不bu是shi嚐chang試shi使shi用yong單dan相xiang來lai提ti供gong。在zai設she計ji電dian磁ci和he功gong率lv級ji

，以yi及ji要yao從cong功gong耗hao的de角jiao度du解jie決jue散san熱re問wen題ti時shi

，想xiang要yao通tong過guo單dan相xiang提ti供gong太tai多duo電dian流liu是shi一yi項xiang巨ju大da的de挑tiao戰zhan。相xiang比bi通tong過guo單dan相xiang提ti供gong大da電dian流liu，多duo相xiang解jie決jue方fang案an則ze具ju有you高gao效xiao率lv、小尺寸和低成本等特點。這與多核 CPU 類似，該 CPU 會拆分末端負載的工作負載。

 

對電源數據中心的數字控製

 

幾(ji)十(shi)年(nian)來(lai)，人(ren)們(men)一(yi)直(zhi)將(jiang)模(mo)擬(ni)控(kong)製(zhi)作(zuo)為(wei)值(zhi)得(de)信(xin)賴(lai)的(de)方(fang)法(fa)和(he)電(dian)源(yuan)係(xi)統(tong)解(jie)決(jue)方(fang)案(an)。但(dan)是(shi)，在(zai)涉(she)及(ji)大(da)電(dian)流(liu)和(he)高(gao)功(gong)率(lv)應(ying)用(yong)時(shi)
，模(mo)擬(ni)控(kong)製(zhi)存(cun)在(zai)一(yi)定(ding)的(de)缺(que)陷(xian)。對(dui)於(yu)高(gao)端(duan)電(dian)源(yuan)解(jie)決(jue)方(fang)案(an)，電(dian)源(yuan)係(xi)統(tong)需(xu)要(yao)更(geng)加(jia)智(zhi)能(neng)化(hua)並(bing)能(neng)集(ji)成(cheng)到(dao)整(zheng)個(ge)解(jie)決(jue)方(fang)案(an)中(zhong)，且(qie)電(dian)源(yuan)解(jie)決(jue)方(fang)案(an)和(he)主(zhu) CPU/ASIC 之間的通信應該是一項硬性設計要求。

 

因此，數字控製解決方案非常適合數據中心應用。 為幫助理解，我們以 MPS 的 MP2888A 為例，這是一款數字多相控製器
，可以替代傳統的模擬控製器。MP2888A 是一款具有 PMBus 和 PWM-VID 接口的 10 相數字多相控製器 （參見表 1）.

 

表 1: MPS 數字控製器對比傳統模擬控製器

 

由於采用數字控製技術，僅需在封裝中配置一個單獨的引腳，MP2888A便可支持PWM-VID。 如果是采用模擬控製器，想要實現相同的功能，一般需要使用 4個 引腳並需要額外添加7 個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備功能，但它們也增加了整體方案成本。 

 

a) 支持PWM-VID 和 REFIN 的模擬控製器方案電路

 

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（模擬控製器對比數字控製器）

 

傳統的模擬控製器需要采用 RC dianlulaigoujianfankuibuchanghuanlu。yaoyouhuabuchanghuilu，xuyaojinxingduocidiedailaijisuanwaibubujiandezhengquezhicongermanzuduozhonggongzuotiaojian。zaiceshihezhongxinceshixitongzhiqian，gongchengshihaibixugenggaizhexiebujian。shuzikongzhijiejuefanganbimianleqianzaidezhongfulaodong
，shixitongweitiaobiandegengjiarongyi。

 

因為具有自動環路補償功能，數字控製解決方案無需使用任何外部元器件，且可以通過使用 PMBus 調整寄存器設置來輕鬆完成微調。還可以使用一個寄存器來正確設置公差範圍，由此輕鬆完成負載-線性校準——在超頻期間，此功能非常有用
，可以幫助穩定 CPU/ASIC。與數字控製器相比
，模擬控製器需要使用14 個以上外部部件來進行環路補償和負載-線性校準（參見圖 2）。 模擬控製器。 (參見圖2). 

 

圖 2: 負載-線性和環路補償（模擬控製器對比數字控製器）

 

數字控製器可以簡化係統設計。 對於工程師而言

，可以幫助簡化 PCB 布局設計。 圖 3 為模擬控製器和數字控製器對比圖。 數字控製器可以節省 36% 的占板麵積
，需要的傳統部件數量不到原來的一半。

 

圖 3: PCB 布局的複雜程度（模擬控製器對比數字控製器）

 

典型的模擬控製器使用一個 PWM 信號來驅動單個功率級。對於數據中心等高功率應用
，其處理器要求至少 500A 或更高的負載電流，一般采用的方法是：

 

1. 選擇相位數量最多的控製器（例如 20 個相位）

2. 使用倍相器
，通過生成兩個交錯並聯的信號（由原始信號構成）來使相位數量翻倍

 

但是，目前市麵上尚沒有 20 相模擬或數字控製器
，而且倍相器會增加部件數量和成本，同時增高係統設計的複雜性。

 

與此相反
，數字控製器（例如 MP2888A）可以通過一個通用 PWM 信號來驅動兩個功率級 (參見圖4).此類數字控製器無需采用倍相器
，還可確保兩個功率級之間的均流。因此
，一個 10 相數字多相控製器堪比 20 相係統設計。 

 

圖 4: MP2888A 采用一個常用 PWM 信號來驅動兩個Intelli-PhaseTM設備

 

結論

 

多相解決方案已逐步發展為數字控製方案，它能夠更有效地解決大電流/功率應用挑戰
，例如數據中心此類應用。通過采用數字控製解決方案，可以大幅降低部件選擇、環路/性能優化和布局等帶來的負擔。這些控製解決方案縮短了整體設計和解決係統故障所需的時間

，最終加快了上市速度。

 

 

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