采用综合电流控制的新型多相控制器系列介绍

云服务规模的指数式增长推动了数据中心、网络和电信设备领域发生显著进步。通过互联网协议（IP）地址连接到云的物联网（IoT）设备数量，已经超过地球上人口的数量。这些增长对处理不断增加的数据和视频的服务器、存储器和网络交换机带来了巨大影响，正将基础设施设备的处理能力和带宽推到极限。对电源设计工程师而言，主要挑战在于如何高效地为这些设备供电和散热，同时将用电量降到最低。

工程师在使用目前的先进处理器、ASIC和FPGA时还必须平衡电路板电源占位面积与散热。

本文综述了多相转换器架构的演变，并比较了不同的控制模式方案；同时介绍了一个采用综合电流控制的新型多相控制器系列。控制技术的这一进步使电源解决方案能够提供逐周期的电流平衡和更快的瞬态响应，同时以零延时跟踪每个相电流。

多相技术发展到为IoT供电

随着终端系统功能的不断增加，对处理能力的要求也相应增加。处理能力主要集中于数据中心，在这里，高端CPU、数字ASIC和网络处理器运行服务器 、存储器及网络设备。它们通过电信设备分布于网络，用于PoS机、台式计算机或使用CPU或FPGA的嵌入式计算系统的事务处理。

这些设备的共同点是其数字处理需求具有相似的功率分布曲线（power profile）。随着处理器尺寸的减小和晶体管数量的增加，处理器现在需要更高的输出电流，范围为100A至400A或更高，具体取决于其复杂度。这个趋势已持续多年，业界一直能够通过将更低的电源状态集成进数字负载来适应。这使数字负载能够在不使用时消耗更低的电流，在需要时达到功率峰值。不过，虽然这有利于整体系统功率分配，但会给电源工程师带来另一个挑战。一方面仍需要提供超过200A的满载电流并进行热管理，另一方面电源必需在不到一微秒时间内对超过100A的大负载阶跃作出反应，同时将输出保持在窄稳压窗口之内。

在终端系统中，常见解决方案一直是使用多相DC/DC降压转换器来提供所需的功率转换，通常是从12V输入转换为约1V输出。要提供大负载电流，设计将负载分布到多个较小的级（称为相）的多相解决方案比通过一个级来提供更容易。从（I^2）*R角度来看，想在一个相中处理过高电流会给设计磁性元件和FET以及热管理带来挑战。对于大电流要求，多相解决方案与单级方案相比可提供高效率、更小的尺寸和更低的成本。此方法类似于终端负载所采取的技术方向，即多核CPU划分工作负载。图1显示了使用四个相为CPU提供150A电流的多相解决方案。

图1. 使用四个相的多相解决方案

合适的控制方案

多相解决方案提供最佳的电源架构， 但需要认真评估实现方式，以匹配最新一代处理器。终端系统的趋势始终是更强的性能、更小的尺寸和更好的电源管理。这一趋势体现在电源设计中，就是通过增加开关频率来将尺寸缩到最小，并在满载和瞬态条件下以更高的电流管理更低的输入电压。这些趋势已带来了电源稳压方面的问题，要求控制回路相应改善。多相控制器领域的主要挑战是管理每个相的电流，这需要考虑以下要点：

• 每个相电流必须平均分担负载。如果存在N个相，则每个相的电流始终应为Iphase = Iout / N。

• 稳态和瞬态期间相电流必须平衡。

保持这些条件很重要，否则你可能要不断反复设计电源。例如，稳态期间相电流失衡会导致热失衡。而在瞬态条件下，如果仅有一个相对负载阶跃做出反应，那么其电感器尺寸会明显过大，违背了多相设计的初衷。

为满足上述两个条件，重要的是控制回路始终完全了解相电流和输出电压，没有延时或采样延迟现象。

采用综合电流控制方案

相对于在电压控制方面采用变通方法来避免电流感测问题，还有一种新方案可以解决这个问题。利用先进的数字控制技术，Intersil在该领域实现了突破。通过将整个控制、监测和补偿放到数字域中，可以运用先进的控制方法论，由此产生的综合电流控制回路能够提供逐周期的相电流均衡和快速瞬态响应。

该新控制方案的产生，起源于对下面这个问题的认识：尽管高边电流信号在回路中很关键，但由于开启时间短和高噪声环境，无法进行直接测量。而Intersil控制器使用人工生成的综合电流信号，具备无噪声、准确、并且无延时的优点。其基本原理是，决定相电流涉及的所有参数在每个周期均可直接测量，从而允许控制器获得电流值，如图2的电流波形所示。

图2. 电感器电流波形

电流波形的斜率与输入/输出电压和电感有关。通过持续测量电压和计算电感，可以生成综合电流波形。通过电流向下补偿过程中的实际测量进行校准，有助于控制器消除由于电流失调或斜率而产生的误差。这有助于控制器补偿系统由于老化、发热或电感饱和导致的任何变化。除了内部无噪声电流波形，控制器还可以控制回路延时。由于电感电流斜坡由脉冲宽度调制（PWM）计时，而PWM的信号是从控制器发出，数字回路可以通过Intersil智能功率级来控制所有传播延时，从而消除内部电流波形延时。

此功能只是在有电流和电压信息的数字域中采用整个回路控制而获得的好处之一。图3的框图显示了数字信号处理可以应用于许多领域，以改善总体响应。电压回路补偿的实现使用传统PID系数，该系数可通过Intersil PowerNavigator™ GUI实时调整。在具有非常严格电压窗口的情况下，通过使用交流电流反馈可进一步提升瞬态性能。通过实施可调节滤波器和阈值，可将动态的负载变化直接注入回路，从而提供与负载阶跃成比例的更快响应。

图3. 控制回路的框图

综合电流控制的优势

综合电流控制的优势是现在可以设计具有逐周期电流平衡和快速瞬态响应的多相电源。每个相的电流是准确已知的，从而允许器件在连续负载瞬态条件下保持稳定工作，其中所有的相平均分担电流。与电流反馈通路中的零延时相结合，综合电流控制使器件能够更快地响应负载条件，从而将输出电容降到最低。即使在使用大电流CPU的情况下，也可以使用“全陶瓷”输出电容器解决方案。利用零延时、全带宽、数字电流波形，控制回路可按照负载线路精确定位输出电压，模仿负载分布曲线的响应。这可避免在输出电压稳定到新目标电压时出现的传统模拟RC衰减。图4显示了在无需负载线路的情况下，器件仍能够满足任何负载瞬变要求，同时使器件电压稳定。

图4. 90A负载阶跃的瞬态响应

如图所示，综合电流控制回路有助于多相控制器为CPU、FPGA和ASIC等现代大电流负载供电。对相电流的准确控制和定位，有助于控制器以最小输出电容满足任何瞬变条件的要求，同时又不会使电感器尺寸过大。

结论

多相控制架构已进入数字时代，这非常有助于解决为现代大电流负载供电的挑战。这一优势已在革命性的综合电流控制方案所提供的瞬态响应和相均衡方面有所体现，另外它还为电源设计的其他许多方面带来优势，只是尚未展开讨论。其中一个不容忽视的方面是，通过软件调节、控制和监测各项设置的能力。从高层面看，这提供了更简单的回路设计及调谐方案，因为我们可以使用如PowerNavigator GUI等软件界面，用几分钟就能建立完整的设计。但在需要调试系统时，电路板方面的影响就明显了。即刻了解电源的状态和条件，以及通过可调节滤波器和实时软件控制对噪声条件进行补偿，有助于设计工程师克服任何挑战而无需重新设计电路板。这些无形的优势将使得越来越多的电源采用数字控制方案。

关于作者

Chance Dunlap是瑞萨电子旗下子公司Intersil的基础设施电源总监。他在电力电子行业有17年从业经验，从事过应用、业务开发和营销等工作，涉及从数字电源到隔离式控制器等广泛的电源产品。他拥有六项专利，发表了多篇技术论文，曾在诸多专题讨论会和大会上演讲。Chance拥有美国普渡大学电子工程学士学位（BSEE）和美国亚利桑那大学工商管理硕士学位（MBA）。