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.

Rys. 1. Rozwiązanie wielofazowe wykorzystujące 4 fazy

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 I_phase powinien być  w każdym momencie równy I_out / 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.

Rys. 2. Wyidealizowany przebieg odpowiedzi faz na gwałtowną 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.

Rys. 3. Wyidealizowany przebieg pokazujący odpowiedź faz na gwałtowną zmianę obciążenia

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.

Rys. 4. Przebieg prądu na cewce

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.

Rys. 5. Odpowiedź na gwałtowny skok poboru prądu o 90 A

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.