Vícefázové DC/DC měniče mají vyšší účinnost v celém rozsahu zatížení

Podle společnosti Northwest Power and Conservation Council poptávka po elektrické energii ze strany velkých datových center, ve kterých jsou uložena data z Facebooku a pomáhají prohledávat Internet pomocí Googlu nebo používají „cloud“ paměť Applu, neustále roste. Objem dat, která tyto instituce zpracovávají, roste obrovskou rychlostí a vyžadují tím zlepšení energetické účinnosti tak, aby se spotřeba energie na chlazení snížila na minimum a současně se omezilo znečištění životního prostředí.

Odhaduje se, že celkový nárůst spotřeby energie datových center v důsledku nehospodárnosti a používání chladicích systémů je dán množstvím energie, kterou spotřebují samotné servery, připojené paměti a síťová zařízení. Uživatel samostatného PC, pracovní stanice nebo laptopu generování tepla jako problém nevidí, ale pro datová centra, která se musí s tímto přídavným teplem vypořádat, je to stejně důležité jako servery samotné. Pokud se výkon systému sníží, potom tento ušetřený výkon může vykonat jinou, užitečnější práci.

Tím, jak se zvyšují energetické požadavky datových center, je zapotřebí vyšší účinnost měničů ke snížení velikosti ztrátové energie ve formě tepla. Inteligentní technologie vícefázového kontroléru je vynikající řešení pro POL (point-of-load) aplikace s velkým proudem. Tato architektura umožňuje, aby regulátor velkého proudu dosáhl při plném zatížení účinnosti více než 90 %. Avšak většina návrhů se nezabývá potřebami vyšší účinnosti při malém nebo středním zatížení, i když ta je stejně tak důležitá.

Většina vestavěných systémů je napájena přes propojovací desku s napětím 48 V. Toto napětí se obvykle snižuje na nižší napětí sběrnice (24, 12 nebo 5 V), kterým se napájejí rámy s deskami uvnitř systému. Avšak většina obvodů nebo součástek na těchto deskách musí pracovat při napětích v rozsahu od méně než 1 V do 3,3 V při proudech v rozsahu od desítek miliampér do stovek ampér. Z toho důvodu jsou zapotřebí POL DC/DC měniče pro snížení těchto napětí a dosažení požadované proudové úrovně.

Je jasné, že rostoucí požadavek na vyšší proud i při nižším napětí je hnací silou vývoje napájecích zdrojů. Velký pokrok v této oblasti lze vysledovat v technologii přeměny energie, zejména ve zlepšení výkonových součástek. Obecně tyto součástky přispívají ke zlepšení výkonu napájení tím, že umožňují vyšší spínací frekvence s minimálním dopadem na účinnost přeměny energie. Vyšší účinnosti je dosaženo snížením ztrát při spínání a v aktivním stavu při současném účinném odvádění tepla. Přechod na nižší výstupní napětí vytváří ovšem značné návrhové problémy.

Vícefázová topologie

Vícefázový proces je termín z oblasti přeměny energie, ve které se jeden vstup zpracovává dvěma nebo více měniči, přičemž každý měnič běží v odlišné fázi. Toto řešení snižuje zvlnění proudu na vstupu a výstupu, stejně jako možnosti celkového vysokofrekvenčního rušení (RFI) a současně umožňuje odebírat vysoký proud na jednom nebo několika výstupech. Tím vznikají měniče s vyšší účinností, menší velikostí a lepším odvodem tepla, které tak vyžadují i menší chlazení.

Při vyšších úrovních výkonů snižují stupňovatelné vícefázové kontroléry velikost kondenzátorů a tlumivek a náklady na ně tím, že využívají eliminace vstupního a výstupního zvlnění proudu způsobené prokládáním taktovacích signálů několika paralelně zapojených výstupních výkonových stupňů. Vícefázové měniče pomáhají minimalizovat počet externích součástek a zjednodušit návrh napájecího zdroje. Toho je dosaženo pomocí kontrolérů s šířkovou modulací impulsů (PWM) v proudovém režimu, skutečného vzdáleného snímání, volitelného fázového řízení, vestavěné schopnosti sdílení proudu, budicími obvody pro MOSFETy s vysokým proudovým zatížením a přepěťovou a nadproudovou ochranou. Výsledná jednoduchost výroby nejen pomáhá zlepšit spolehlivost napájecího zdroje, ale přináší také stupňovatelnost. Takové systémy je možno rozšířit až na 12 fází pro výstupy s velkým proudovým zatížením až do 300 A.

Obr. 1 Aplikační zapojení měniče s LTC3856 pro výstup 1,5 V / 50 A

Pro tyto účely zavádí společnost Linear Technology několik vícefázových DC/DC kontrolérů, včetně obvodu LTC3856. Ten představuje dvoukanálový step-down kontrolér s jedním výstupem pro POL konvertory s velkým výstupním proudem. Tato součástka nejen zvyšuje účinnost při plném zatížení, ale také obsahuje funkci Stage Shedding™, která zvyšuje účinnost při nízkém až středním zatížení. Obvod LTC3856 je možné nakonfigurovat až na 12 fází. Na obr. 1 je znázorněno typické aplikační zapojení LTC3856 s výstupem 1,5 V / 50 A při vstupním napětí 4,5 V až 20 V se dvěma fázemi.

Funkce Stage Shedding

Při nízkém zatížení převládají ztráty související s přepínáním nad celkovými ztrátami spínacího regulátoru. Eliminováním náboje hradla a ztrát ze spínání během nízkého zatížení se ale podstatně zvýší provozní účinnost.

Obr. 2 Křivka účinnosti obvodu LTC3856 s funkcí Stage Shedding v porovnání se starým kontrolérem LTC3729

Funkce Stage Shedding umožňuje, aby jedna nebo více fází vypnula a snížily se tak ztráty související se spínáním během stavu nízkého zatížení. Obvykle se to dělá, když se zátěžový proud sníží na méně než 15 A. Celkovou účinnost je možno zvýšit až o 13 %, jak je ukázáno na obr. 2. Tento obrázek také znázorňuje účinnost staršího, srovnatelného 2fázového kontroléru LTC3729. Díky lepšímu řízení hradla a kratší době nečinnosti může obvod LTC3856 dosáhnout o 3–4 % vyšší účinnosti než LTC3729 v celém rozsahu zatížení.

Činnost funkce Stage Shedding se spustí, když výstupní napětí vnitřního zesilovače zpětnovazební odchylky dosáhne uživatelem naprogramovaného napětí. Při tomto naprogramovaném napětí kontrolér vypne jednu nebo více svých fází a zastaví spínání MOSFETů. Schopnost programování okamžiku spuštění funkce Stage Shedding dodává obvodu flexibilitu v jeho činnosti.

Obvod LTC3856 může pracovat ve vynuceném souvislém režimu Stage Shedding nebo v režimu Burst Mode®, přičemž oba režimy jsou volitelné a jejich použití je určeno specifickými potřebami aplikace. Při zatížení vyšším než 15 A pracují tato zařízení v PWM režimu s konstantní frekvencí. Při velmi malém zatížení je možno zvolit režim Burst Mode a při proudovém zatížení nižším než 0,5 A se tak dosáhne nejvyšší účinnosti. Režim Burst Mode se zapíná v dávkových pulsech jednoho až několika cyklů, přičemž během interních klidových period se energie dodává z výstupních kondenzátorů. Funkce Stage Shedding dává nejvyšší účinnost pro střední a velké zátěže.

Závěr

Potřeba snížit ztrátový výkon v datových centrech bude v příštích letech i nadále hlavním úkolem. Návrháři POL DC/DC měničů pro téměř každý typ systému čelí mnoha problémům v důsledku četných omezení malého prostoru a chlazení, ale i potřebám vysoké účinnosti v celém rozsahu zatížení. I když je nutno se proplétat nesčetným množstvím těchto omezení, mnohé z nedávno uvedených vícefázových regulátorů dávají jednoduché, kompaktní a účinné řešení. Přechodem k rozmanitým vícefázovým topologiím mohou návrháři efektivně ušetřit prostor, zjednodušit rozmístění, snížit zvlnění proudu na kondenzátoru, zlepšit spolehlivost a snížit velikost ztrátové energie, a tím i chránit životní prostředí.

O autorovi

Bruce Haug získal titul BSEE na San Jose State University v roce 1980. K firmě Linear Technology nastoupil v roce 2006 jako marketingový inženýr. Před tím své zkušenosti získával ve firmách Cherokee International, Digital Power a Ford Aerospace.