高效率的多相DC/DC控制器应用电路原理图

概述

近年来，随着因特网服务需求量的显著增长，全球数据中心的电力消耗已经成为一个重要的问题。数据中心可编排网页、实现社会网络和流媒体服务、提供音乐和视频下载、提供互联网访问以及运行仿真。另外，它们还为银行及其他金融业务的传统和私人用户提供了计算能力。数据中心常常占据多间房屋、多个楼层甚至整幢大楼，包含计算机、存储和网络设备。在 2000 年至 2005 年间，数据中心的总用电量翻了一番 ── 从每年 700 亿度增加到了 1400 亿度，并继续以 16.7% 的平均增长率逐年攀升，而亚太地区 （不包括日本） 是世界上仅有的一个远远超过该平均增长率的主要地区 ［资料来源：“Worldwide electricity used in data centers”，Jonathan Koomey 撰文，美国劳伦斯伯克力国家实验室，2008 年］。

数据中心所采用的计算机 （常称为服务器） 与 PC 架构相似，具有一个 CPU、ASIC、FPGA 和存储器。然而，与 PC 不同的是，数据中心里的服务器尽可能紧密地组合在一起且耗用大量的电力，因而产生了必须散逸的热量。功率通过不间断电源系统 （UPS） 输送至这些服务器，其后通常设有一个分布式电源系统和用于负载点 （POL） 供电的降压型 DC/DC 转换器。此类功率输送方法的效率达不到 100%，而且会产生大量的热量。必须谨慎和持续不断地管理这些热量，以使系统在其规定的工作温度范围内运行。无论冷却系统的类型和效率如何，都必须采取某种方法将热量从数据中心去除。而要做到这一点，就必需使用额外的能量来运作冷却设施。

据估计，由于低效率和冷却系统所造成数据中心增加额外功耗与服务器、存储和网络设备所消耗的功率量大致相等。单台 PC、工作站或笔记本电脑的用户并不会把系统发热看作一个问题，但对于数据中心而言，管理这种热开销的重要性丝毫不亚于服务器本身。如果降低了系统功率，那么可用开销就能够处理一个更大的 IT 负载并完成更多有用的工作，而功耗水平保持不变。

由于数据中心的功率需求持续增加，因此必需进行效率较高的功率转换以减少被作为热量而浪费掉的功率。智能型多相控制器技术是一种适合大电流 POL 应用的绝佳解决方案。该架构使得大电流稳压器能够在满负载条件下实现大大超过 90% 的效率。然而，此类设计大多数不满足在轻负载到中等负载时实现较高效率的需求。节省轻负载至中等负载时浪费的电力与节省重负载时浪费的电力一样重要。

大部分嵌入式系统通过 48V 背板来供电。这个电压正常情况下被降至较低的 24V、12V 或 5V 中间总线电压，用于向系统内部的电路板支架供电。不过，要求这些电路板上的大多数子电路或 IC 在不到 1V 至 3.3V 的电压范围内、以数十 mA 至数百 A 的电流工作。因此，要从 24V、12V 或 5V 电压轨降至子电路或 IC 所需的电压和电流值，POL DC/DC 转换器是必不可少的。

显然，人们希望在电压不断下降的情况下增加电流，这种日渐增长的需求将继续推动电源产品的开发。这一领域的很多成果可以追溯到功率转换技术领域中所取得的进步，特别是电源 IC 和功率半导体器件的改善。总体而言，这些组件对提高电源性能起到了很大作用，因为它们允许在对功率转换效率影响最小的前提下提高开关效率。这是通过降低开关和接通状态损耗，从而在提高效率的同时可允许高效地去除热量。不过，向较低输出电压转变给这些因素施加了更大的压力，这反过来又导致了极大的设计挑战。

多相拓扑结构

多相运作是转换拓扑结构的一般性术语，在这类拓扑结构中，由两个或更多个转换器处理单个输入，而且这些转换器相互同步但以不同和锁定的相位运行。这种方法降低了输入纹波电流、输出纹波电压以及总的 RFI （射频干扰） 特征值，同时提供了单个大电流输出或具完全稳定输出电压的多个较低电流输出。这种方法还允许使用较小的外部组件，从而造就效率较高的转换器，并且提供了以更少的冷却措施改善热量管理这种附加的好处。

尽管一般而言，降压型转换器是更为普遍的应用，但是多相拓扑结构可以配置为降压型、升压型甚至正激式转换器。如今，从 12VIN 至 1.xVOUT 的转换效率高达 95% 是很普遍的。

在较高的功率电平条件下，可扩展型多相控制器运用输入和输出纹波电流抵消 （通过对多个并联功率级的时钟信号进行交错处理而得以实现） 来缩减电容器和电感器的尺寸和成本。通过集成 PWM （脉宽调制） 电流模式控制器、真正的远端采样、可选的定相控制、固有的电流均分能力、大电流 MOSFET 驱动器、以及过压和过流保护功能，多相转换器有助于最大限度地减少外部组件数目和简化整个电源设计。这简化了制造过程，从而不仅有助于提高电源的可靠性，还使电源成为可扩展的。此类系统最多可扩展至 12 个相位，以提供高达 300A 的大电流输出。

凌力尔特公司拥有好几款多相 DC/DC 控制器，包括适合大电流 POL 转换的 LTC3856 和 LTC3829 单路输出同步降压型控制器。这些器件不仅能够提升满负载效率，而且还具备一种任选的“逐级递减”（Stage SheddingTM） 功能，该功能可降低轻负载至中等负载时的功率损耗。图 1 中的电路示出了 LTC3856 的一款典型应用原理图，该电路用于利用两个相位从一个 4.5V~14V 输入电压产生 1.5V/50A 输出。

图 1：大输出电流 1.5V/50A 应用电路原理图

图 2 中的电路显示了一款典型的 LTC3829 应用原理图，该电路采用 3 个相位从 6V~28V 输入电压产生一个 1.2V/75A 输出。

图 2：大输出电流 1.2V/75A 应用电路原理图

LTC3856 具有两个通道，且使用多个 IC 能实现多达 12 个相位。LTC3829 具有 3 个通道，当使用两个 IC 时，能以多达 6 个相位运作。内置的差分放大器负责提供对正和负终端的真正远端输出电压采样，从而实现了高准确度稳压，而不受走线、过孔和互连线中 IR 损耗的影响。