多相降压变换器的Load-Line设计

Marisol Carbrera

Tomas Hudson

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简介

5G 网络、云计算、物联网 (IoT) 和虚拟化的发展正在推动IT 基础设施对高性能计算服务器提出更高的需求。

服务器的更新迭代对计算能力和效率提出更高要求，同时对功率的需求也不断增加。确保服务器满足市场需求的关键任务之一就是了解微处理器电源对整个服务器的动态响应与效率的影响，从而配置电源以获得最佳的性能。

服务器应用对瞬态响应的要求更加苛刻。实施Load-Line（LL）控制，有时也称为有源电压定位 (AVP)，可以帮助设计人员满足以上需求。

了解直流Load-Line设计

Load line (LL)控制是指对电压控制环路进行修改，即降压变换器的输出电压 (V_OUT) 可根据负载电流进行调节。换言之，对于变化的负载值， V_OUT 不再是恒定的，而是根据功率的需求而变化。调节后的输出电压可以通过公式 (1) 来计算：

$$V_{OUT} = V_{OUT(NOM)} - I_{OUT} \times R_{LL}$$

其中 V_OUT(NOM) 是无负载连接到电源时的最大 V_OUT, I_OUT 是负载电流， R_LL 则是等效Load-Line阻抗（以 Ω 为单位）。

图 1 显示了与所有负载条件下 V_OUT 恒定的传统方法（用绿线表示）相比，Load-Line调节如何降低直流负载调整率（用蓝线表示），并导致 V_OUT 随电流增加而下降。设计人员需注意，Load-Line带来的电压斜率仍需要满足为微处理器供电的 V_OUT 要求。这意味着在整个输出电流范围中， V_OUT 必须落在指定的电压限制范围 (V_MAX 和 V_MIN) 之内。

图1: 带直流Load Line的 V_OUT 与固定 V_OUT 方法的比较

Load-Line调节的主要目的是在负载电流较大时降低电压，从而降低功耗和耗散损耗。这是它最常见的益处，实施Load-Line控制还有一个优点，就是可以改善服务器的动态响应。

服务器应用电源通常都需要支持较大的负载瞬态。因为服务器应用电源需要为存储设备和 CPU 等负载供电，而这些负载的电源需求会根据它们正在执行的任务不同而变化。例如，服务器电源提供远高于 100A 的电流阶跃都是很常见的事。

图 2 显示了实施Load-Line控制前后的电源比较。由于存在电流阶跃，没有Load-Line的电源（用紫色线表示）在负载瞬变期间会出现较大的过冲和下冲。这些峰值超过最大或最小电压限制都可能导致负载损坏并停止工作，但通过使用Load-Line（用蓝色线表示）逐步调节 V_OUT，则可以消除这些峰值并改善瞬态响应。

图2: Load-Line对瞬态响应的影响

尽管Load Line可以提高服务器性能和效率，但Load-Line的配置必须非常精确，因为变换器必须始终在设定的电压限制范围内运行。大多数通信标准都规定了理想的Load-Line值，但由于电路板材料和布局不同，这些值可能也需要相应进行调整。否则，在高功率运行时，Load Line可能会将电压拉至低于最低要求（参见图 3）。

图3: 非理想化Load-Line配置造成的故障

降低直流LOAD LINE的输出电容

我们将通过一个通用示例来演示Load Line控制的益处，该示例采用电源轨的典型处理器规格。其中，输入电压(V_IN) 设置为 12V，输出电流 (I_TDC) 为 220A，输出电压 (V_OUT) 为 1.8V，所有参数值都为服务器应用中电压轨的常用值。表 1 罗列了具体规格。

表1: 电源轨规格

参数	值
V_IN	12V
V_OUT	1.8V
I_TDC	220A
ΔV_OUT	±108mV (216mVpp 或 6%)
I_STEP	160A (0A 至 160A)

表 2 所示为测试条件，包括输出电容 (C_OUT), 开关频率 (f_SW)和相数 (N_PHASE)等。

表2: 测试参数

参数	值
f_SW	700kHz
N_PHASE	5
C_OUT (靠近 VR)	6 x 470µF, 12 x 47µF
C_OUT (CPU负载处)	60 x 22µF

我们在该示例中采用了MPS的 MP2965。MP2965是一款双路数字多相控制器，它支持Load-Line配置，并且可配置为最多 7 相工作。该器件可通过PMBus接口配置Load Line，但需要在 VDIFF 和 VFB 引脚之间连接一个下垂电阻 (R_DROOP)，并采用内部寄存器配置（参见图 4）。

图4: 控制器Load-Line内部结构

首先，设计人员需要观察变换器不使用Load Line时的电压调整率来确定采用Load Line的效果。我们对MP2965 施加 160A 的电流阶跃来模拟CPU 负载。图 5 显示了变换器在没有直流Load Line时的响应。注意，电流瞬变期间出现较大的V_OUT尖峰，带来了205mV 的压变，而这几乎不能满足表 1 提出的规格。

图 5：没有直流Load Line时，变换器对电流阶跃的响应

通过公式 1，我们可以设计一个 0.67mΩ 的Load Line来满足最小 V_OUT 规格。估算过程如下所示：

$$V_{OUT} = V_{ID} - I_{OUT} \times R_{LL} -> R_{LL} = \frac {V_{OUT(NOM)} - V_{OUT(MIN)}}{I_{OUT(MAX)}} = \frac {180mV}{160A} = 0.675mΩ$$

图 6 显示了采用直流Load Line后产生的瞬态响应。

图 6：采用直流Load Line后，变换器对电流阶跃的响应

通过采用直流Load Line， V_OUT 完美保持在表 1 指定的电压范围之内，电压裕量约为允许范围的 50%。充足的电压裕量意味着还可以放宽某些设计约束，例如输出电容，它也是降低输出电压峰值的关键要素之一。如表 2 所示，图 5 和图 6 中的电压响应是 4.7mF 总输出电容的响应，其中包含了60 个靠近 CPU 负载的 22μF MLCC 电容以及一些铝电解电容。

MLCC 电容滤除电流瞬态响应的高频分量，而铝电解电容则滤除低频分量。铝电解电容也称为大容量电容，它们经过专门设计，具有非常低的 ESR，但通常也是电路中最昂贵的电容。因此，减少大容量电容的使用可以降低总成本和BOM。

由于直流Load Line已经降低了瞬态峰值，大容量电容对瞬态响应的影响就变得不那么重要，这对大容量电容的 ESR 要求也随之降低。因此，移除一些大容量电容不会对电路的瞬态响应产生显著影响。图 7 显示了将大容量电容降低 50%（从 6 x 470µF 到 3 x 470µF）之后的测试结果。

图 7：采用直流Load Line并减少大容量电容后，变换器对电流阶跃的响应

为了同时增加正负尖峰的电压裕量，我们在 V_OUT端添加 40mV 的直流偏移。这样可以将 V_OUT 置于规格中定义的电压范围中心附近。

尽管采用较少大容量电容对电源的瞬态响应没有明显影响，但却降低了成本，而且缩小了占板空间。

采用Load Line的另一个优势是降低了 CPU 功耗。当 V_OUT 设置为 1.8V/160A 时，负载功率为 288W。采用直流Load Line，并在最大电流下将 V_OUT 降至 1.725 V，负载功率将变为 276W（如图 7所示），这意味着净功率节省了12W。

结论

服务器和计算应用要求电源能够处理电流的大瞬态变化，同时还要满足严格的 V_OUT 调整率要求。

本文利用 MP2965 数字控制器实现了 PMBus 可配置Load Line，并展示出Load Line控制的优势，例如提升效率和改善电源瞬态响应性能。文中还解释了采用直流Load Line如何最小化所需的大容量电容，从而使设计人员能够降低总体成本并最大限度地缩小电路板空间，同时，仍然能够满足服务器应用的规格要求。