【導讀】近幾十年來
，服務器和計算係統的複雜性隨著供電 (PD) 需求的增加而不斷增長。穩壓器的設計也變得更具挑戰性，它需要在更高效率與快速動態響應之間
，以及在更低功耗與MOSFET 尺寸之間進行權衡。

服務器電源需具有大電流、低di電dian壓ya和he快kuai速su瞬shun態tai響xiang應ying
，這zhe意yi味wei著zhe
，相xiang比bi其qi他ta應ying用yong，服fu務wu器qi電dian源yuan必bi須xu在zai更geng高gao的de頻pin率lv下xia工gong作zuo。為wei了le滿man足zu這zhe些xie需xu求qiu，並bing聯lian運yun行xing多duo個ge降jiang壓ya變bian換huan器qi（即多相降壓變換器）以驅動公共負載至關重要。多相降壓變換器常用於服務器和電信行業
，可以滿足其高功率要求。

多相降壓變換器的優勢

一yi個ge係xi統tong的de基ji頻pin實shi際ji上shang為wei原yuan頻pin率lv乘cheng以yi所suo用yong的de相xiang數shu。這zhe使shi變bian換huan器qi可ke以yi在zai極ji高gao的de頻pin率lv下xia工gong作zuo，也ye意yi味wei著zhe變bian換huan器qi能neng夠gou以yi更geng小xiao的de組zu件jian尺chi寸cun和he更geng少shao的de輸shu出chu電dian容rong來lai滿man足zu更geng高gao的de電dian流liu要yao求qiu。

降(jiang)壓(ya)變(bian)換(huan)器(qi)必(bi)須(xu)具(ju)有(you)快(kuai)速(su)瞬(shun)態(tai)響(xiang)應(ying)
，也(ye)就(jiu)是(shi)說(shuo)
，它(ta)必(bi)須(xu)能(neng)夠(gou)將(jiang)能(neng)量(liang)從(cong)輸(shu)入(ru)快(kuai)速(su)傳(chuan)輸(shu)至(zhi)輸(shu)出(chu)。對(dui)單(dan)相(xiang)設(she)計(ji)而(er)言(yan)，它(ta)需(xu)要(yao)一(yi)個(ge)小(xiao)型(xing)電(dian)感(gan)，但(dan)由(you)此(ci)又(you)會(hui)產(chan)生(sheng)無(wu)用(yong)的(de)大(da)電(dian)流(liu)紋(wen)波(bo)。而(er)采(cai)用(yong)並(bing)聯(lian)變(bian)換(huan)器(qi)來(lai)驅(qu)動(dong)負(fu)載(zai)（並且每個分支都以相等的相移工作），穩態電壓紋波以及輸入和輸出 RMS 電流都會降低，而且需要的輸入和輸出電容也更小。

這種電流紋波的有效消除使應用更小的電感成為可能
，同時也減少了瞬態電壓尖峰。其原因就在於倍頻效應，即，若有N 個分支，則紋波幅度將降低N倍 ，頻率增大N倍。例如，一個 4 相應用產生的總電感電流紋波 (I_OUT = I_O1 + I_O2 + I_O3 + I_O4) 將小四倍，而紋波頻率則是單個相位的四倍（見圖 1）。

圖1: 總輸出電流紋波

多duo相xiang變bian換huan器qi還hai能neng提ti高gao變bian換huan器qi的de散san熱re效xiao率lv。通tong過guo在zai多duo個ge相xiang位wei之zhi間jian分fen配pei電dian流liu，功gong耗hao也ye被bei分fen擔dan。這zhe最zui大da限xian度du地di減jian少shao了le每mei個ge分fen支zhi上shang的de熱re應ying力li，從cong而er減jian小xiao了le散san熱re器qi尺chi寸cun

，並bing使shi整zheng個ge解jie決jue方fang案an性xing價jia比bi更geng高gao。

多相降壓變換器的挑戰

多相變換器是提供超快響應時間和高功率水平的關鍵。但在服務器電源等某些應用中，係統所需的電力變化很大。例如，當輸出電流為 100A時，需要所有相位來提供電流，但當電流降至 10A時，那麼由於附加功率開關中存在開關損耗，過多的相位將會降低效率。

采用數字控製器

數(shu)字(zi)控(kong)製(zhi)器(qi)可(ke)以(yi)通(tong)過(guo)自(zi)適(shi)應(ying)切(qie)相(xiang)和(he)相(xiang)位(wei)控(kong)製(zhi)等(deng)方(fang)法(fa)，根(gen)據(ju)負(fu)載(zai)電(dian)流(liu)的(de)變(bian)化(hua)改(gai)變(bian)相(xiang)位(wei)操(cao)作(zuo)，從(cong)而(er)進(jin)一(yi)步(bu)提(ti)高(gao)效(xiao)率(lv)。基(ji)於(yu)這(zhe)些(xie)策(ce)略(lve)，設(she)計(ji)人(ren)員(yuan)可(ke)以(yi)在(zai)整(zheng)個(ge)負(fu)載(zai)電(dian)流(liu)範(fan)圍(wei)內(nei)獲(huo)得(de)所(suo)需(xu)的(de)目(mu)標(biao)效(xiao)率(lv)。

圖2: 切相

設計規格

表 1 為電源軌的通用需求。其中，輸入電壓(V_IN)為12V，這是大多數應用的通用值。輸出電流(I_TDC)為220A，輸出電壓(V_OUT)為 1.8V，這是服務器應用中電壓軌的通用值。

表1: 電源軌規格

驅動器和 MOSFET 的選擇

在大多數多相變換器中
，每相峰值電流限製都為40A 左右。然而
，行業的不斷創新導致解決方案現在能夠處理的峰值電流也明顯提高，例如，MP86957 等器件可提供高達 70A 的連續電流。這種設計規則還取決於其他參數
，例如空間限製和散熱器的使用及其散熱特性。

采用多相變換器解決方案

本文以每支路約 40A的保守電流分布目標和7 相設計為例
，來說明多相變換器的優勢。 該設計將最大電流保持在足夠低的水平，使熱耗散和功率損耗更加易於管理。

選定的開關頻率(f_SW)為500kHz。由於倍頻效應，7 相設計可以提供的總輸出紋波頻率為3.5MHz。

我們選擇可配置為最多 7 相操作的MP2965作為數字控製器。該控製器采用脈寬調製控製，根據輸入和輸出電壓，它可以隨時間實時調整PWM。為了完善該多相穩壓器解決方案
，該設計還采用了MP86945A，這是一款能夠實現高達 60A 連續輸出電流的單片半橋IC。

圖 3：交錯式降壓變換器功能框圖)

選擇輸出電感

輸出電感是一個重要參數，因為電感電流中過大的紋波會導致速度與效率問題。每相最大電流紋波(ΔI_L) 必須在最大相電流的20%至40%之間。在本例中，我們選擇了30%的電流紋波，而且目標效率(η)設置為90%。

電感(L)可以通過公式(1)估算出來：

其中D為占空比
，通過公式(2)計算得出：

輸入應用的實際值之後


，估算出電感(L)為220nH
，如公式(3)所示：

選擇輸出電容

為確保電感電流的連續工作，通常選擇降壓變換器的最小電容來限製輸出電壓紋波。該紋波通常限製為平均輸出電壓的1%。根據係統規格
，電壓紋波設置為18mV。輸出電容 (C_OUT) 可以通過公式(4)和公式(5)來計算：

在確定輸出電容時，需要考慮變換器中電流突變引起的電壓變化限製。換言之，需要計算輸出電容以將輸出電壓保持在其過壓(V_OVER)和欠壓 (V_UNDER)閾值範圍之內。V_UNDER可以用公式(6)估算：

其中L_EQ 為等效電感（對7相設計而言
，為L / 7），D_MAX為最大占空比。公式(6)中的C_OUT可以通過公式(7)來計算：

V_OVER可以通過公式(8)估算：

公式(8)中的C_OUT可以通過公式(9)計算：

選擇上述公式結果中的最大值，從而滿足所有的操作要求。

確定輸出電容之後，再來計算電容的等效串聯電阻 (ESR)
，ESR用於限製變換器在穩態下工作時的輸出電壓紋波。輸出電壓紋波可通過公式(10)估算：

其中ESR可以通過公式(11)和公式(12)來計算：

請注意，我們所需的 ESR 值相當小。要在不減小電容值或尺寸的情況下獲得如此小的 ESR 值
，需並聯幾個小型電容器。 這樣
，在電容值相加的情況下，降低了ESR值。

選擇輸入電容

輸入電容為變換器提供低阻抗電壓源並過濾輸入電流紋波。此外


，在設計中增加相位會降低總輸入 RMS 電流
，並將自熱效應降至最低。圖 4 顯示了根據相數和變換器占空比得到的標化電流值。

圖 4：標化 RMS 電流與占空比和相數之間的函數關係

根據應用的規格，通常選擇降壓變換器的輸入電容來限製輸入電壓紋波。在本應用中，ΔV_IN的值為240mV，輸入電容(C_IN)可通過公式(13)和公式(14)估算：

結論

由(you)於(yu)服(fu)務(wu)器(qi)係(xi)統(tong)對(dui)性(xing)能(neng)的(de)要(yao)求(qiu)較(jiao)高(gao)
，為(wei)滿(man)足(zu)其(qi)瞬(shun)態(tai)響(xiang)應(ying)要(yao)求(qiu)，同(tong)時(shi)還(hai)能(neng)夠(gou)承(cheng)受(shou)大(da)電(dian)流(liu)
，大(da)多(duo)數(shu)服(fu)務(wu)器(qi)和(he)計(ji)算(suan)係(xi)統(tong)設(she)計(ji)中(zhong)都(dou)會(hui)用(yong)到(dao)多(duo)相(xiang)降(jiang)壓(ya)變(bian)換(huan)器(qi)。MPS的MP2965雙通道多相控製器能夠以最小的輸出電容提供出色的設計靈活性和快速瞬態響應，而功率級集成了驅動器和 MOSFET的MP86945A則可以確保係統保持高效率與高性能。

來源：芯源係統

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