Gwałtowny rozwój usług opartych na chmurze spowodował istotne zmiany w centrach danych, urządzeniach sieciowych i telekomunikacyjnych. Dalsze zmiany postępują wraz z Internetem Przedmiotów (IoT), który wprowadza miliardy urządzeń połączonych z chmurą. Proces ten ma znaczący wpływ na serwery, systemy magazynowania danych i przełączniki sieciowe, które muszą przetworzyć stale rosnącą ilość danych, w tym materiałów wideo. Konieczne jest maksymalne wykorzystanie infrastruktury pod względem wydajności obliczeniowej i pasma.
Z punktu widzenia projektantów systemów zasilania najważniejszym wyzwaniem jest efektywne zasilenie i chłodzenie wszystkich tych urządzeń, przy jednoczesnym zapewnieniu minimalnego poboru prądu. Projektanci muszą również równoważyć dostępną moc i temperaturę płytek zawierających współczesne zaawansowane procesory, układy specjalizowane (ASIC) oraz FPGA.
Niniejszy artykuł opisuje ewolucję, jaką przeszły zasilacze wielofazowe od implementacji analogowych do cyfrowych. Zostały też w nim poruszone różne metody sterowania. Przyjrzymy się w nim nowej klasie kontrolerów zasilania wielofazowego, które wykorzystują cyfrowe, syntetyczne metody sterowania do kontroli przepływu prądu. To nowe rozwiązanie pozwala zasilaczowi na kontrolę prądu w każdym cyklu i szybszą odpowiedź na gwałtowne zmiany przy jednoczesnym śledzeniu fazy każdej składowej z zerowym opóźnieniem.
Ewolucja systemów wielofazowych
Wraz ze wzrostem funkcjonalności systemów docelowych, ich większą wydajnością i obsługą IoT, rośnie moc obliczeniowa wymagana do ich obsługi. Moc obliczeniowa jest skoncentrowana w centrach danych, które wykorzystują wysokiej klasy procesory, cyfrowe układy dedykowanie i procesory sieciowe do obsługi serwerów, magazynów danych i urządzeń podłączonych do sieci. Urządzenia te są rozproszone na całym obszarze sieci i realizują transakcje z komputerami domowymi, urządzeniami punktów sprzedaży lub systemami wbudowanymi wykorzystującymi zarówno procesory CPU, jak i FPGA.
Wspólną cechą wszystkich wymienionych urządzeń są podobne wymagania stawiane systemowi zasilania układów cyfrowych. Zmniejszanie rozmiaru technologicznego procesorów i zwiększanie liczby tranzystorów sprawia, że procesory wymagają wyższych prądów wyjściowych, często zakresie 100 – 400 A i większych, w zależności od złożoności układów. Choć taki trend utrzymuje się od dawna, przemysł był w stanie dostosować się do tych wymagań, wprowadzając tryby obniżonego poboru mocy w układach cyfrowych. Dzięki temu układy mogą pozostawać w stanie bezczynności przy niższych prądach, a następnie w razie potrzeby rozpocząć pracę z pełną mocą. Takie rozwiązanie jest korzystne z punktu widzenia całkowitego zużycia mocy systemu, jednak stanowi dodatkowe wyzwanie dla projektanta układu zasilania. Maksymalny prąd obciążenia przekraczający 200 A musi zostać dostarczony i nie doprowadzić do przegrzania systemu. Co więcej, zasilacz musi reagować na zmiany poboru prądu przekraczające 100 A w ciągu niecałej mikrosekundy, jednocześnie utrzymując napięcie wyjściowe w wąskim dopuszczalnym zakresie.
W systemach końcowych często spotykanym rozwiązaniem jest stosowanie wielofazowej przetwornicy DC/DC, która zapewnia odpowiedni poziom zasilania, typowo ok. 1 V przy napięciu wejściowym 12 V. Aby dostarczyć wysokie prądy do obciążenia, łatwiej jest stworzyć rozwiązanie wielofazowe, które dzieli obciążenie na kilka mniejszych stopni (zwanych fazami), zamiast dostarczać cały prąd z jednego stopnia. Próba obsługi zbyt dużego prądu w jednym stopniu wymaga stosowania obwodów magnetycznych i tranzystorów FET, jak również walki ze wzrostem temperatury – co wynika wprost ze wzoru I2/R. Rozwiązanie wielofazowe zapewnia wyższą sprawność przy mniejszych rozmiarach i mniejszym koszcie w porównaniu do pojedynczego stopnia obsługującego duże prądy. Jest to rozwiązanie analogiczne do trendu widocznego w technologii cyfrowej, gdzie obciążenie jest dzielone między wiele rdzeni procesora. Obrazek 1. przedstawia wielofazowe rozwiązanie, które jest w stanie dostarczyć prąd 150 A do procesora CPU.
Metody kontroli napięcia
O ile rozwiązania wielofazowe stanowią najlepszą architekturę zasilaczy, ich implementacje muszą być starannie dopasowane do najnowszych generacji procesorów. Systemy końcowe zawsze dążą do rozwoju funkcjonalności, uzyskania mniejszych rozmiarów i usprawnionego zarządzania zasilaniem. Znalazło to swoje odzwierciedlenie w projektach zasilaczy, które stosują coraz wyższe częstotliwości przełączania, aby zminimalizować rozmiary i utrzymać niższe napięcie wyjściowe przy wyższym prądzie obciążenia i szybszych skokach wartości prądu. Te zjawiska stwarzają problemy podczas realizacji sterowania zasilaczami, wymagając ciągłych zmian w pętli kontroli – implementacje wciąż ewoluują, aby nadążyć za tymi wymaganiami. Podstawowym wyzwaniem stojącym przed kontrolerem systemu wielofazowego jest zarządzanie prądem każdej fazy, co można opisać w dwóch następujących punktach:
- Prąd każdej fazy musi stanowić jednakową część obciążenia. Jeżeli istnieje N faz, to prąd każdej fazy Iphase powinien być w każdym momencie równy Iout / N.
- Prądy faz muszą pozostać zrównoważone zarówno w stabilnych warunkach, jak i podczas gwałtownych zmian obciążenia.
Należy skupić się na spełnieniu tych dwóch warunków – w innym wypadku łatwo jest wpaść w pułapkę przekombinowanego projektu zasilacza. Pętla kontroli musi mieć pełną informację o prądach faz i napięciu wyjściowym w każdym momencie, bez latencji lub opóźnienia wnoszonego przez przetwornik. Historyczne rozwiązania tego problemu wykorzystywały analogową kontrolę prądową, która utrzymywała równowagę faz w kolejnych cyklach. Jednak to rozwiązanie zniknęło już z rynku wraz z obniżeniem napięć wyjściowych i wzrostem częstotliwości, które spowodowały trudności z uzyskaniem dokładnego sygnału.
W wyniku tego rynek wybrał analogowe rozwiązania sterowania napięciowego, takie jak Constant On Time (COT) lub tradycyjny tryb napięciowy z kompensacją 3. typu. Miało to na celu uzyskanie szybkiej odpowiedzi na gwałtowne zmiany (transienty). Wadą napięciowych pętli kontroli jest utrata informacji o prądach faz, które są niezbędne do równoważnia faz i prądów. Dzieje się tak z powodu zmniejszenia rozmiaru cewki lub umiejscowienia pętli przy liniach zasilania. Duże cyfrowe procesory zazwyczaj wykorzystują linię zasilania (Load-Line) której napięcie wyjściowe zmienia się wraz z obciążeniem wyjścia. Obrazek 2. przedstawia ten problem, pokazując odpowiedź prądu na zmianę obciążenia.
Współczesne cyfrowe układy specjalizowane (ASIC) aktywnie zarządzają swoim poborem mocy, regulując zapotrzebowanie na energię w trybie ciągłym. Odbywa się to poprzez włączanie i wyłączanie bloków ASIC w zależności od wymaganej wydajności przetwarzania. Zamiast obciążać system stałym prądem, ich pobór mocy ciągle zmienia się w zależności od warunków pracy. To stwarza nowe wyzwanie dla układu zasilania. Obrazek 3. ilustruje typową sytuację, w której 6-fazowy zasilacz musi zareagować na powtarzalne zmiany obciążenia, które są równie szybkie, jak częstotliwość kluczowania zasilacza, ale mają krótsze czasy narastania i opadania.
Innowacyjna syntetyczna kontrola prądu
Powstało nowe rozwiązanie, które adresuje bezpośrednio problem pomiaru prądu – w przeciwieństwie do obejścia tego problemu przez układ sterujący napięciem. Opracowane przez Intersil rozwiązanie wykorzystuje technologię sterowania cyfrowego. To zaawansowane rozwiązanie polega na przeniesieniu całego sterowania, monitorowania i kompensacji w domenę cyfrową. Powstałe rozwiązanie nosi nazwę syntetycznej prądowej pętli kontroli, która zapewnia równoważenie prądu faz w każdym cyklu i szybką odpowiedź na transienty.
Nowa metoda sterowania powstała w wyniku następującej obserwacji: Pomimo tego, że kluczowy dla pracy pętli jest wysoki prąd po stronie zasilania, nie ma możliwości mierzenia go bezpośrednio z powodu krótkich czasów włączania i wysokiego zaszumienia. Zamiast tego kontroler Intersil wykorzystuje syntetyczny sygnał prądowy generowany sztucznie, który jednak jest pozbawiony szumów, dokładny i ma zerową latencję. Podstawa działania opiera się na fakcie, iż wszystkie parametry pozwalające na określenie prądu fazy można zmierzyć bezpośrednio w każdym cyklu, dzięki którym kontroler jest w stanie wyznaczyć prąd na podstawie zależności pokazanej na obrazku 4.
Zalety syntetycznej kontroli
Jedną z zalet syntetycznej kontroli prądu jest możliwość projektowania zasilaczy wielofazowych, które zapewniają równoważenie prądu w każdym cyklu i szybką odpowiedź na gwałtowne zmiany. Prąd każdej fazy jest znany z dużą precyzją, co pozwala układowi zapewnić stabilną pracę przy ciągłych gwałtownych zmianach obciążenia. W połączeniu z zerową latencją w prądowej pętli sprzężenia zwrotnego, kontrola syntetyczna pozwala układowi reagować szybciej na zmiany obciążenia i zminimalizować pojemność wyjściową. Nawet w przypadku procesorów o wysokim zapotrzebowaniu na prąd możliwe jest wykorzystanie wyłącznie ceramicznego kondensatora na wyjściu. Dzięki zerowej latencji i cyfrowym przebiegom prądowym w pełnym paśmie pętla kontroli może zapewnić napięcie wyjściowe odpowiadające dokładnie wymaganiom profilu obciążenia. To rozwiązanie pozwala uniknąć wykładniczej zmiany napięcia występującej w tradycyjnych obwodach RC, w których napięcie stopniowo osiąga wartość docelową. Obrazek 5. pokazuje, że w sytuacji, w której linia zasilnia nie jest stosowana, układ w dalszym ciągu jest w stanie obsłużyć dowolny skok obciążenia, utrzymując napięcie pod kontrolą.
Jak widać powyżej, syntetyczna kontrola pętli prądowej pozwala kontrolerom wielofazowym zasilić dowolne współczesne obciążenia o wysokim poborze prądu – CPU, FPGA lub też układy ASIC. Dokładna kontrola i dystrybucja prądów faz pozwala kontrolerowi obsłużyć dowolne zmiany obciążenia przy minimalnej pojemności wyjściowej, bez stosowania dużych cewek.
