為網(wǎng)絡(luò)、通信和高端計(jì)算系統(tǒng)中的分布式供電架構(gòu)選擇芯片組

簡(jiǎn)介

網(wǎng)絡(luò)和通信設(shè)備的發(fā)展趨勢(shì)持續(xù)促進(jìn)對(duì)于更多高級(jí)npu和asic的需求。在穿過(guò)骨干網(wǎng)或者從一個(gè)通信設(shè)備傳到另一個(gè)時(shí)，由于需要增長(zhǎng)帶寬并對(duì)信息進(jìn)行更復(fù)雜的分析，這就促進(jìn)了更強(qiáng)大處理資源的使用。因?yàn)檫@些處理器能更好的處理這些任務(wù)，它們的功率要求也變得更加復(fù)雜。而處理器復(fù)雜程度的增長(zhǎng)對(duì)功率要求更高。傳統(tǒng)系統(tǒng)功率架構(gòu)僅提供幾個(gè)電壓及功率等級(jí)，但是這些架構(gòu)已不能達(dá)到增長(zhǎng)的系統(tǒng)要求。各種電源系統(tǒng)架構(gòu)均衡功效、成本和復(fù)雜性。目前趨向于雙級(jí)架構(gòu)。

在 網(wǎng)絡(luò)和通信系統(tǒng)中的電源架構(gòu)（包括電信系統(tǒng)），具有來(lái)自容變彈性ac/dc整流器模塊48v額定輸入。各種系統(tǒng)將在額定電源電壓的上下浮動(dòng)范圍內(nèi)操作。例如，一個(gè)通用的電信系統(tǒng)輸入電壓范圍可能是36v到75v，而符合歐洲電信標(biāo)準(zhǔn)化協(xié)會(huì)（etsi）規(guī)范的系統(tǒng)將把范圍縮小到36v到60v。與這些不可調(diào)節(jié)的額定電源不同，一些系統(tǒng)是由可調(diào)節(jié)的48v總線操作的，其典型的總線電 源供 應(yīng)范圍是 10%。電源架構(gòu)必須以最大的電效率、最小的空間、最優(yōu)化的成本將這個(gè)輸入電壓輸送到pol轉(zhuǎn)換器。

傳統(tǒng)分布穿過(guò)電路板電源的方法為下面兩個(gè)基本配置方案中的一個(gè)(圖1)。第一個(gè)方案。轉(zhuǎn)換器將輸出電壓從48v轉(zhuǎn)到3.3v，然后再通過(guò)幾個(gè)必備的pol轉(zhuǎn)換器將3.3v轉(zhuǎn)到所需的pol電壓。從傳統(tǒng)上來(lái)說(shuō)，在電路板上，3.3v干線最需要電源，所以設(shè)計(jì)者選擇3.3v總線，以取得單級(jí)交換，從而消除功率損耗。另一個(gè)配置方案，適用于更高功率的電路板，它將輸出電壓從48v轉(zhuǎn)換到所謂的中級(jí)總線電壓(一般為12v)，再將12v總線電壓轉(zhuǎn)換成pol電壓。

每個(gè)dpa都有其優(yōu)點(diǎn)和缺點(diǎn)。當(dāng)在電路板上有一個(gè)需要3.3v工作電壓的主負(fù)載、或整個(gè)電路板上覆蓋多個(gè)3.3v負(fù)載時(shí)，設(shè)計(jì)者通常會(huì)采用3.3v總線dpa。設(shè)計(jì)者通常這樣設(shè)計(jì)，以使電路板上的交換總額最小化，從而在最需電源端優(yōu)化效率。然而，一個(gè)3.3v-總線-dpa系統(tǒng)要求對(duì)產(chǎn)生其它工作電壓的每個(gè)pol轉(zhuǎn)換器要進(jìn)行偏壓供應(yīng)。

另一個(gè)問(wèn)題是3.3v的輸出需要一個(gè)串聯(lián)順序fet，因?yàn)楦綦x的轉(zhuǎn)換器通常缺少對(duì)于輸出速率的控制。串聯(lián)順序fet只有在啟動(dòng)和斷電時(shí)才有用；在其它時(shí)候，dc-loss高架會(huì)影響效率、增加部件并提高費(fèi)用。而且，由于操作電壓持續(xù)下降，支配分線很可能移向2.5v。對(duì)于同樣的主板電源，主板電流增長(zhǎng)了32%，配電損耗增長(zhǎng)了大約74%。

3.3v主線必須要產(chǎn)生電路板上所有其它操作電壓?？梢源嬖趲讉€(gè)額外輸出電壓，每個(gè)電壓的輸出都可以使用高頻轉(zhuǎn)換dc/dc pol轉(zhuǎn)換器。pol轉(zhuǎn)換器的高頻轉(zhuǎn)換可以將噪波反向注入到3.3v輸入線，而且由于這個(gè)線直接供應(yīng)負(fù)載，電源架構(gòu)要求進(jìn)行大量的過(guò)濾以保護(hù)3.3v 負(fù)載。3.3v總線也為asic提供動(dòng)力，asic對(duì)于噪波非常敏感而且可以承受因過(guò)濾不足而產(chǎn)生的損壞--但這不是一個(gè)最佳選擇，因?yàn)閍sic的成本很高。

當(dāng) 所有板上功率很高又沒(méi)有負(fù)載電壓來(lái)支配整個(gè)電路板時(shí)，設(shè)計(jì)者典型地采用一個(gè)12v的中線dpa。通過(guò)這種方法，因?yàn)閷?duì)于給定的電流水平來(lái)說(shuō)電流很低，所以分流損失很低。對(duì)于這種架構(gòu)，pol轉(zhuǎn)換器產(chǎn)生了所有操作電壓。使用一個(gè)12v dpa來(lái)簡(jiǎn)化pol轉(zhuǎn)換器。串聯(lián)順序fet也能在pol轉(zhuǎn)換器上控制啟動(dòng)和斷電，盡管大多數(shù)可用pol轉(zhuǎn)換器可以直接控制這項(xiàng)功能。

今 天的12v輸出模塊是提供受控輸出的典型全性能程序塊。12v程序塊內(nèi)的反饋通過(guò)光耦合器為轉(zhuǎn)換器的初級(jí)端提供一個(gè)符號(hào)反饋。具有高rm電流的12v程序塊，相對(duì)無(wú)效。它們要求24v到100v電壓的二級(jí)端fet，如果平均輸出電壓很低，就可能使用較低壓fet，二級(jí)端fet一般來(lái)講具有高于需要的接通電阻。因?yàn)槟K有大量組件，所以全控制程序塊都很浪費(fèi)而且大于指定輸出功率。一個(gè)主板更加有效分配兩級(jí)功率的方法是建立一個(gè)處于3.3v到12v的中間非調(diào)節(jié)電壓。（圖 2）

新的pol轉(zhuǎn)換器可接受一個(gè)廣泛的輸入電壓范圍，這就意味著設(shè)計(jì)者可以利用產(chǎn)生中間總線電壓的單獨(dú)轉(zhuǎn)換級(jí)來(lái)采取一個(gè)更簡(jiǎn)單的方法。根據(jù)輸出功率等級(jí)，pol轉(zhuǎn)換器的最佳輸入電壓在6v到12v之間。結(jié)果是獲得了占有少量空間并具有很少組件的高效、獨(dú)立轉(zhuǎn)換器。全功能程序塊，能在不增加整體設(shè)計(jì)復(fù)雜性的基礎(chǔ)上，使用50個(gè)或更多的組件。輸出電壓調(diào)節(jié)的移除為顯著減少模塊組件數(shù)提供了機(jī)會(huì)。一個(gè)不可調(diào)dc-總線轉(zhuǎn)換器使用一個(gè)單獨(dú)的轉(zhuǎn)換器，它處于固定的工作循環(huán)中，可以允許簡(jiǎn)單、自行驅(qū)動(dòng)的二級(jí)同步整流開(kāi)關(guān)，達(dá)到最大化電源轉(zhuǎn)換效率、最小化輸入和輸出過(guò)濾并提高可靠性。

板上雙級(jí)電源轉(zhuǎn)換器

非調(diào)節(jié)dc-主線轉(zhuǎn)換器很快成為最受歡迎的能將48v輸入電壓轉(zhuǎn)換到中間主線、然后供應(yīng)給pol的方法。一個(gè)具有開(kāi)路、固定50%工作循環(huán)特征的簡(jiǎn)易獨(dú)立轉(zhuǎn)換器能提供一個(gè)中間主線電壓，這個(gè)電壓由輸入電壓、初始端拓樸（半橋或全橋）和變壓器轉(zhuǎn)換率構(gòu)成。

根據(jù)系統(tǒng)電源等級(jí)、pol轉(zhuǎn)換器配電頻率和配 電功耗計(jì)算，多數(shù)設(shè)計(jì)者在6到12v的范圍內(nèi)設(shè)置額定主線電壓。dc-主線拓樸提供了在最小空間內(nèi)的最大效率以達(dá)到用最較少的組件實(shí)現(xiàn)最好的電源密度、減少總成本。拓樸也要求最小的輸入和輸出過(guò)濾--又是一項(xiàng) 成本節(jié)省。這種方法也極大簡(jiǎn)化了電源架構(gòu)中的控制、監(jiān)測(cè) 、同 步化和定序。圖3展示了dc-主線轉(zhuǎn)換器設(shè)計(jì)，這個(gè)設(shè)計(jì)應(yīng)用了幾個(gè)能達(dá)到這種性能的創(chuàng)新技術(shù)。

國(guó)際整流器公司開(kāi)發(fā)了包括自激振蕩驅(qū)動(dòng)器和匹配電源mosfet的芯片集。ir2085s 和ir2086s高速、半橋和全橋驅(qū)動(dòng)器，在48v雙級(jí)電路板電源分布系統(tǒng)中，分別服務(wù)于非調(diào)節(jié)、單獨(dú)dc-主線轉(zhuǎn)換器。這些控制器通常具有高性能、高簡(jiǎn)化而且成本低。它們使用100v、1a的驅(qū)動(dòng)器將50%工作循環(huán)振蕩器與用于半橋ir2085s 的so-8封裝和用于全橋ir2086s的so-16相結(jié)合。設(shè)計(jì)者能夠從外部調(diào)節(jié)ic頻率和停歇時(shí)間，以滿足多種應(yīng)用要求。器件也提供了啟動(dòng)和電源限制功能。一個(gè)內(nèi)部軟啟動(dòng)特點(diǎn)限定了啟動(dòng)期間的瞬間起峰電流，在50%的工作循環(huán)中逐漸增長(zhǎng)電流。軟啟動(dòng)可持續(xù)大約2000脈沖的門驅(qū)動(dòng)信號(hào)。國(guó)際整流器公司的48-v dc-總線參考設(shè)計(jì)，利用低負(fù)荷、強(qiáng)電子熱、初級(jí)端、mosfet和低電子熱、二級(jí)端的新ic控制器全橋版本，能在小于程序塊八分之一空間的范圍內(nèi)，達(dá)到97%的效率。 這個(gè)效率比常規(guī)的、全控制、板上電源轉(zhuǎn)換器要高出3-5%。

在初級(jí)端，ir2085s 驅(qū)動(dòng)兩個(gè) irf6646 fet，即下一代的低負(fù)載80v directfet。對(duì)于36v到75v的輸入電壓，設(shè)計(jì)者能將fet轉(zhuǎn)換成100v irf6644。器件能通過(guò)一個(gè)用于啟動(dòng)的小線性控制器和穩(wěn)定狀態(tài)下的變壓器來(lái)達(dá)到其初級(jí)端的偏流。在二極端上的兩個(gè)30v、n-channel irf6635 directfet在自動(dòng)同步整流器拓樸中進(jìn)行操作。

directfet-半導(dǎo)體封裝除去了mosfet封裝阻抗，這就降低了總阻抗從而提高了主要效率。對(duì)于頂層冷卻，directfet封裝也允許一個(gè)典型的1℃/w結(jié)一板熱阻及最大化的1.4℃/w結(jié)一殼熱阻。

一個(gè)220w dc-主線轉(zhuǎn)換器能達(dá)到2.05 x 0.85英寸--比八分之一程序塊的行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)小了15%。對(duì)于四分之一dc-主線轉(zhuǎn)換器設(shè)計(jì)可以節(jié)省近50%的空間。在這個(gè)小覆蓋區(qū)內(nèi)220v轉(zhuǎn)換器能獲得96%的效率（圖6）。

220w設(shè)計(jì)使用了一個(gè)220 khz的初級(jí)端配電頻率以使其性能最優(yōu)化：高配電頻率減少了輸出電壓波和變壓器通壓密度，可以使用更小的磁性組件。同樣，一個(gè)變壓器更小的核會(huì)產(chǎn)生更小的功耗。然而，高配電頻率增加了初級(jí)和二級(jí)配電功耗并產(chǎn)生低的總電路效率。
用于高功率應(yīng)用的dc-總線轉(zhuǎn)換器可以使用ir2086s高速、100v、全橋驅(qū)動(dòng)和初級(jí)和二級(jí)端directfet，用小于八分之一程序塊空間達(dá)到的97%效率，在9.6v的電壓下提供高達(dá)330w的功率。

非獨(dú)立pol轉(zhuǎn)換器

d c-總線轉(zhuǎn)換器在兩級(jí)dpa中屬于前端級(jí)。當(dāng)設(shè)計(jì)者在設(shè)計(jì)第二級(jí)、非獨(dú)立pol轉(zhuǎn)換器時(shí)產(chǎn)生了許多獨(dú)特思考。當(dāng)主要考慮電路板空間和設(shè)計(jì)復(fù)雜性時(shí)，嵌入式程序塊設(shè)計(jì)在整體模塊和全離散設(shè)計(jì)上具有很多優(yōu)勢(shì)。例如：國(guó)際整流器公司的ipowir的程序塊為mcm（多芯模塊），包含了達(dá)到高效率、雙相位同步降壓轉(zhuǎn)換器。其中包括振蕩器、加速器、誤差信號(hào)放大器，pwm比較器，控制pet，同步fet等所有器件，但是有一些是為完成pol轉(zhuǎn)換器的被動(dòng)需要。程序塊執(zhí)行像超電壓保護(hù)、超電流保護(hù)和超溫保護(hù)這樣的功能。程序塊也 提供內(nèi)部控制和同步fet間歇控制。除了減少90%pol轉(zhuǎn)換器部件數(shù)，ipowir程序塊能通過(guò)減少挑戰(zhàn)性電路板設(shè)計(jì)靈敏度來(lái)明顯壓縮設(shè)計(jì)時(shí)間并減少風(fēng)險(xiǎn)。通過(guò)在ipowir程序塊 周圍使用幾個(gè)外部組件，一個(gè)設(shè)計(jì)者可以快速、簡(jiǎn)單的建立高性能、雙相位、雙輸出和同步buck轉(zhuǎn)換器，以滿足幾個(gè)負(fù)載電壓要求。（圖4）。相對(duì)于備選同等離散設(shè)計(jì)，程序塊方法除了簡(jiǎn)化了設(shè)計(jì)者 的工作，也極大的減少了設(shè)計(jì)時(shí)間并節(jié)省了pc-電路板上50%的空間。設(shè)計(jì)者從而得到一個(gè)經(jīng)測(cè)試、有保證的器件，這個(gè)器件一般來(lái)講沒(méi)有離散設(shè)計(jì)復(fù)雜的布局問(wèn)題，具有眾所周知的最大功耗。這個(gè)器件能為其它負(fù)載電壓進(jìn)行簡(jiǎn)單布局的靈活性，同時(shí)，也產(chǎn)生高轉(zhuǎn)換效率。

與輸入電壓相比，pol轉(zhuǎn)換器通常有高輸入電壓。典型的工作循環(huán)范圍為10%到20%，在同步buck電流中相當(dāng)于高端mosfet的及時(shí)電壓。 高端mosfet或者控制fet采用轉(zhuǎn)換模式（圖4）手工操作。相應(yīng)的mosfet的簡(jiǎn)化功耗公式是：

在控制fet中 引起電源分散的主要因素是傳導(dǎo)功耗，轉(zhuǎn)換功耗，門驅(qū)動(dòng)功耗，其中最主要的是轉(zhuǎn)換功耗。為了使轉(zhuǎn)換功耗最小化，設(shè)計(jì)者應(yīng)該選擇低負(fù)載mosfet并考慮與轉(zhuǎn)換相關(guān)的電壓，或者后門檻電壓，負(fù)載項(xiàng)目包括qgs2 和qgd。moseft僅在門驅(qū)動(dòng)電壓超過(guò)門檻電壓后才開(kāi)始實(shí)行，所以在門驅(qū)動(dòng)電壓通過(guò)門檻電壓時(shí)沒(méi)有功耗。一旦開(kāi)始實(shí)行mosfet，功率就開(kāi)始分散，后門檻電壓負(fù)載越低，轉(zhuǎn)換負(fù)載也越低。輸入電壓和配電頻率也會(huì)形成轉(zhuǎn)換功耗。降低輸入電壓和減少配電頻率也會(huì)減少整體功耗。然而，在高功率應(yīng)用中，一個(gè)較低的輸入電壓產(chǎn)生了換位。由于輸入電流成比增加，整體的分流功耗也會(huì)增加。同時(shí)，根據(jù)感應(yīng)器的尺寸或者轉(zhuǎn)換器所用到的過(guò)濾電容器的數(shù)量，減少配電頻率也能顯著的增加轉(zhuǎn)換器的尺寸。

基于高端系統(tǒng)在高頻度下操作的事實(shí)，控制fet的總體門負(fù)載應(yīng)該適當(dāng)?shù)慕档鸵詼p少門驅(qū)動(dòng)功耗。低負(fù)載控制fet能減少開(kāi)關(guān)節(jié)點(diǎn)上的尖峰信號(hào)（圖6）。尖峰信號(hào)能開(kāi)啟同步fet，引起貫通電流，這會(huì)降低可靠性并引起內(nèi)電路故障。同步的fet能在下列條件下進(jìn)行保護(hù)：如果fet的負(fù)載率 與qgs1的比率 小于1.4，門電壓尖峰信號(hào)將不會(huì)超過(guò)極限電壓。

在高電流系統(tǒng)中，控制fet必須也顯示低阻抗以減 少傳導(dǎo)功耗，這個(gè)功耗與電流平方成比例。對(duì)于這些系統(tǒng)，優(yōu)化控制fet選項(xiàng)的指標(biāo)系數(shù)結(jié)合了門負(fù)載和阻抗。選擇一個(gè)低端mosfet還是合成的fet，要取決于不同的分析。相應(yīng)的這個(gè)器件的簡(jiǎn)化功耗公式是：
同步fet沒(méi)有顯示出轉(zhuǎn)換功耗組件，因?yàn)樗鼈兪窃诹惴啬Ｊ较虏僮鞯?。?shí)行前，在電路中產(chǎn)生了一段間歇時(shí)間，在這段期間感應(yīng)器電流在同步fet的主體二級(jí)管間循環(huán)流動(dòng)。與轉(zhuǎn)換器的操作電壓相比，主體二極管的正向電壓接近于零，因此，當(dāng)同步fet開(kāi)啟時(shí)，功率并不同時(shí)分散。pol轉(zhuǎn)換器的10-20%的工作循環(huán)在同步fet上產(chǎn)生了80-90%的有效工作循環(huán)。由于fet大部分的時(shí)間都用于傳導(dǎo)模式上，轉(zhuǎn)換器的設(shè)計(jì)者選擇主要器件的標(biāo)準(zhǔn)在阻抗上。