多相降压转换器的优势及如何提高微处理器的功效.doc
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1、多相降压转换器的优势及如何提高微处理器的功效更高的能效已成为计算机服务器和高性能网络设备的关键要求。冷却这些系统的成本现在是其寿命成本以及自身能源使用的主要因素。这种系统依赖于先进的微处理器,并且在高性能计算应用的情况下,依赖于每秒数十亿次浮点运算的通用图形处理单元(GPGPU)。这些处理器通常密集封装以最大化其空间效率,并且当以峰值速度运行时,每个处理器可能具有超过100W的功率需求。因此,在苛刻的条件下,功率转换的热效率至关重要。为了最大限度地减少服务器或交换机背板上的功率分配损耗,这些系统通常采用相对较高的中间电压至少为12 V。然后使用负载点(POL)转换器来提供这些器件所需的低电压
2、- 通常约为1V。这通常导致需要高峰值电流值来处理处理器接近其热封套运行的短暂时期。传统上,POL转换器的设计旨在实现高负载时的最大效率,因为这是多余的热量可能是最具破坏性的。目前使用的大多数POL转换器在满载时保证90以上的效率。在密集的服务器中,这种效率至关重要,因为它确保标准空气冷却可以足够快地移除热量,以防止系统过热以及处理器经历热关机的风险。在现代的基于互联网的环境中,由于突然关闭处理器而丢失交易和请求会迅速损害收入和声誉。但是,因为系统很少有超过一小部分处理器满负荷运行,在需要强制空气冷却时可能会损失大量能量。由于传统POL转换器的效率随着负载的降低而下降,因此需要更大比例的冷却用
3、于电力输送基础设施而不是处理器本身。如果POL转换器可以更高效,则可以缩减强制空气冷却的要求,从而不仅可以节省服务器本身,还可以节省周围的空调。已经取得了进展。功率转换技术,主要集中在每个POL转换器消耗的电路板面积量的问题上。一种趋势是开关频率的增加以减少峰值电流需求,这有助于将诸如电容器的无源元件的尺寸保持最小。但是,开关频率的推高程度有限,特别是在频率影响较大的大电流系统中。通常,在转换期间,控制开关的开关损耗与输出电流乘以所提供的能量和开关周期本身成正比。越来越多的POL IC设计人员正在寻求一种解决方案。单个输入由多个转换器处理。转换器彼此同步运行,但使用不同的相位。多相转换器中的振
4、荡器是同步的,使得每个相以相同的频率(f)驱动,但相位移动360/N,其中N是整个转换器中的相数。每个降压相的输出与其他降压相并联,使得纹波频率为Nf而不是f图1:三相情况下的通道输入电流和输入电容电流。多相的使用意味着核心转换拓扑保持了高频操作的优势,而不会缩短开关周期并且具有减少过纹波电流的好处,因为电流脉冲之间的间隙比单转换拓扑短得多。这也改善了电磁干扰(EMI)特征,因为转换器内的电流变化率低于传统方法。对于多相或多相转换器,有效工作频率实际上是基频开关频率倍增按阶段数量。因此,瞬态响应得到改善,这对于高级处理器非常重要,因为功率需求可以在极短的时钟周期内发生变化。多相降压转换器拓扑结
5、构具有更多的封装优势。每个通道的转换功率仅为可比较的单相降压转换器的一小部分,从而减小了设计中使用的电感器和功率MOSFET的尺寸。较小的功率MOSFET可降低动态损耗,因为它们具有较小的寄生电容。同样,由于纹波电流减小,电容器的损耗也会降低。图2:针对一系列不同的多相选项的纹波电流与占空比的关系。在峰值需求时,所有相位都在转换器是活跃的。然而,随着处理器减速并且其功率需求下降,转换器可以关闭一个或多个相,从整体能量需求中消除该相的开关损耗。结果是POL转换器以动态的方式响应负载的需求。可以使用PMBus信号将对相位的控制分配给本地微处理器或板级功率控制器。 PMBus命令可用于让中央电源管理
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