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干貨 | 使用實時MCU順應服務器電源的設計趨勢

jf_pJlTbmA9 ? 來源:德州儀器 ? 作者:德州儀器 ? 2023-10-26 16:07 ? 次閱讀
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隨著服務器和數(shù)據(jù)中心在全球范圍內的應用日益廣泛,對穩(wěn)定高效電源的需求越來越強烈,以應對不斷增加的功耗。用電量一直快速增長,因此需要更多的集成中央處理單元、圖形處理單元和加速器來提高服務器和數(shù)據(jù)中心的計算速度。應用效益的提高催生了電源裝置 (PSU) 的發(fā)展,以提供高能效、快速瞬態(tài)響應、高功率密度和更大的電源容量。

高能效

具有高能效的服務器 PSU 可通過減少功耗和更大程度提高電源到負載間的功率傳輸效率,降低運營數(shù)據(jù)中心的成本及其對環(huán)境的影響。這種能力使數(shù)據(jù)中心能夠滿足日益嚴格的能效標準(例如 80 Plus),在各種負載范圍內實現(xiàn)高于平均水平的鈦金級能效,并向環(huán)境排放更少的二氧化碳。

快速瞬態(tài)響應

在服務器電源應用中,具有快速瞬態(tài)響應有助于在不斷變化的負載和輸入瞬態(tài)情況下,實現(xiàn)穩(wěn)定可靠的系統(tǒng)運行。此外,系統(tǒng)需要滿足服務器電源原始設備制造商更嚴格的瞬態(tài)響應規(guī)格:在 2.5A/μS 至 5A/μS 之間實現(xiàn) 80% 至 100% 的負載跳躍。圖 1 說明了這些參數(shù)。

wKgZomUD8piAI0kqAAKYwiLhy0s113.jpg 圖 1:瞬態(tài)響應參數(shù)

更高的功率密度和更大的電源容量

服務器和數(shù)據(jù)中心的功耗不斷增長,因此需要更大的電源容量。通過在更小的空間內提供更大的電源容量,氮化鎵 (GaN) 等電源技術可實現(xiàn)更小巧的電源。為了在電源系統(tǒng)中實現(xiàn)高功率密度和縮減整個系統(tǒng)的物料清單,使用實時微控制器 (MCU) 控制高開關頻率至關重要。

攻克服務器 PSU 的設計挑戰(zhàn)

為了實現(xiàn)上述優(yōu)勢,服務器 PSU 制造商面臨幾項設計挑戰(zhàn),例如

實現(xiàn)復雜的電源拓撲,例如圖騰柱無橋功率因數(shù)校正和控制算法,包括零電壓開關、零電流開關、同步整流時序和具有混合遲滯控制的電感-電感-電容諧振直流/直流轉換。

啟用實時控制性能,加快控制回路的執(zhí)行。

在采用 GaN 和碳化硅 (SiC) 等寬帶隙功率器件時減少功耗,同時保持更高的開關頻率。

為了滿足服務器 PSU 系統(tǒng)對電源效率和功率密度不斷增長的要求,實時 MCU 需具有幾個關鍵特性,例如低延遲信號鏈、高脈寬調制 (PWM) 靈活性和分辨率、高控制環(huán)路速度和高開關頻率。圖 2 顯示了一個示例 PSU 框圖。

wKgZomUD8pyANiGKAAVRrzEtvsk270.jpg 圖 2:具有交流/直流和直流/直流級的服務器電源典型雙控制器架構

TMS320F280039C C2000? 實時 MCU 提供上述所有特性,還可幫助滿足或減少服務器 PSU 的設計預算。它們將繼續(xù)通過靈活和創(chuàng)新的功能改進集成的實時信號鏈(感應、處理和控制)。圖 3 顯示了 F28003x 系列。

wKgaomUD8p6AXHFXAAJx1kWWPFo223.jpg 圖 3:F28003x MCU 擴展了 C2000 實時 MCU 產品組合

高精度檢測

F280039C MCU 通過其集成式模擬元件(包括多個可靈活管理轉換啟動、具有 11 個有效位數(shù)和一個后處理塊的 4MSPS 模數(shù)轉換器),實現(xiàn)了服務器PSU的高能效和快速瞬態(tài)響應。MCU 還集成了具有優(yōu)化電源控制功能的快速模擬比較器,例如消隱、延遲跳閘、峰值電流模式控制和斜率補償,可實現(xiàn)精確的功率轉換。

高性能處理

F280039C 基于 32 位數(shù)字信號處理器架構并結合了控制律加速器,可提供超過 240MIPS 的實時性能,具有浮點單元和三角函數(shù)加速器等特性,可實現(xiàn)更高的功率密度和高瞬態(tài)響應,能夠處理復雜的時間關鍵型計算。

靈活的高分辨率控制

在大功率服務器 PSU 系統(tǒng)中,即使在高頻下,實現(xiàn)更大的電源容量并保持相位間同步也至關重要。F280039C 提供 150ps 分辨率的 PWM 通道,具有谷底開關、延遲跳閘、死區(qū)時間調整和全局重新加載等功能,可以精確控制復雜的電源拓撲和控制算法。集成的可配置邏輯塊進一步增強了 PWM 的靈活性,并無縫銜接 GaN 技術來實現(xiàn)高功率密度。

C2000 實時 MCU 在服務器 PSU 系統(tǒng)中的其他優(yōu)勢

除了電源管理和快速實時控制的趨勢外,F(xiàn)280039C MCU 還可以滿足服務器 PSU 的幾項其他熱點要求:

實時固件更新可以在不中斷電源的情況下無縫切換到新固件,并通過具有多個閃存選項的多組型號和更快的閃存組擦除時間,更大限度降低軟件開銷。

通信接口從PMBus轉到控制器局域網(CAN)總線(以及可能的CAN-FD),可實現(xiàn)更快速度、更高數(shù)據(jù)速率和可靠的主機通信。

通過加密功能(例如高級加密標準、安全啟動和安全聯(lián)合測試行動組)實現(xiàn)安全性,可在這個更加互聯(lián)的世界中保護代碼和數(shù)據(jù)免受外部攻擊,解決業(yè)界擔憂。

結語

F280039C MCU 在 C2000 MCU 平臺上進行了擴展,提供集成功能,可幫助您實現(xiàn)高級實時控制,同時降低物料清單成本。F28003x MCU 系列通過解鎖 GAN 和 SiC 等寬帶隙技術的全部潛力,實現(xiàn)了更高能效、更高功率密度以及更快響應時間,與這些技術相得益彰。簡便易用的軟件可加快服務器 PSU 設計人員的開發(fā)速度。

關于德州儀器 (TI)

德州儀器(TI)(納斯達克股票代碼:TXN)是一家全球性的半導體公司,致力于設計、制造、測試和銷售模擬和嵌入式處理芯片,用于工業(yè)、汽車、個人電子產品、通信設備和企業(yè)系統(tǒng)等市場。我們致力于通過半導體技術讓電子產品更經濟實用,創(chuàng)造一個更美好的世界。如今,每一代創(chuàng)新都建立在上一代創(chuàng)新的基礎之上,使我們的技術變得更小巧、更快速、更可靠、更實惠,從而實現(xiàn)半導體在電子產品領域的廣泛應用,這就是工程的進步。這正是我們數(shù)十年來乃至現(xiàn)在一直在做的事。

審核編輯 黃宇

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