【導讀】5G 網絡、云計算、物聯網 (IoT) 和虛擬化的發展正在推動IT 基礎設施對高性能計算服務器提出更高的需求。服務器的更新迭代對計算能力和效率提出更高要求，同時對功率的需求也不斷增加。確保服務器滿足市場需求的關鍵任務之一就是了解微處理器電源對整個服務器的動態響應與效率的影響，從而配置電源以獲得最佳的性能。
服務器應用對瞬態響應的要求更加苛刻。實施Load-Line（LL）控制，有時也稱為有源電壓定位 (AVP)，可以幫助設計人員滿足以上需求。
了解直流Load-Line設計
Load line (LL)控制是指對電壓控制環路進行修改，即降壓變換器的輸出電壓 (VOUT) 可根據負載電流進行調節。 換言之，對于變化的負載值， VOUT 不再是恒定的，而是根據功率的需求而變化。調節后的輸出電壓可以通過公式 (1) 來計算：
其中 VOUT(NOM) 是無負載連接到電源時的最大 VOUT, IOUT 是負載電流， RLL 則是等效Load-Line阻抗（以 Ω 為單位）。
圖 1 顯示了與所有負載條件下 VOUT 恒定的傳統方法（用綠線表示）相比，Load-Line調節如何降低直流負載調整率（用藍線表示），并導致 VOUT 隨電流增加而下降。設計人員需注意，Load-Line帶來的電壓斜率仍需要滿足為微處理器供電的 VOUT 要求。這意味著在整個輸出電流范圍中， VOUT 必須落在指定的電壓限制范圍 (VMAX 和 VMIN) 之內。
圖1: 帶直流Load Line的 VOUT 與固定 VOUT 方法的比較
Load-Line調節的主要目的是在負載電流較大時降低電壓，從而降低功耗和耗散損耗。這是它最常見的益處，實施Load-Line控制還有一個優點，就是可以改善服務器的動態響應。
服務器應用電源通常都需要支持較大的負載瞬態。因為服務器應用電源需要為存儲設備和 CPU 等負載供電，而這些負載的電源需求會根據它們正在執行的任務不同而變化。例如，服務器電源提供遠高于 100A 的電流階躍都是很常見的事。
圖 2 顯示了實施Load-Line控制前后的電源比較。由于存在電流階躍，沒有Load-Line的電源（用紫色線表示）在負載瞬變期間會出現較大的過沖和下沖。這些峰值超過最大或最小電壓限制都可能導致負載損壞并停止工作，但通過使用Load-Line（用藍色線表示）逐步調節 VOUT，則可以消除這些峰值并改善瞬態響應。
圖2: Load-Line對瞬態響應的影響
盡管Load Line可以提高服務器性能和效率，但Load-Line的配置必須非常精確，因為變換器必須始終在設定的電壓限制范圍內運行。大多數通信標準都規定了理想的Load-Line值，但由于電路板材料和布局不同，這些值可能也需要相應進行調整。否則，在高功率運行時，Load Line可能會將電壓拉至低于最低要求（參見圖 3）。
圖3: 非理想化Load-Line配置造成的故障
降低直流LOAD LINE的輸出電容
我們將通過一個通用示例來演示Load Line控制的益處，該示例采用電源軌的典型處理器規格。其中，輸入電壓(VIN) 設置為 12V，輸出電流 (ITDC) 為 220A，輸出電壓 (VOUT) 為 1.8V，所有參數值都為服務器應用中電壓軌的常用值。表 1 羅列了具體規格。
表1: 電源軌規格
表 2 所示為測試條件，包括輸出電容 (COUT), 開關頻率 (fSW)和相數 (NPHASE)等。
表2: 測試參數
我們在該示例中采用了MPS的 MP2965。MP2965是一款雙路數字多相控制器，它支持Load-Line配置，并且可配置為最多 7 相工作。該器件可通過PMBus接口配置Load Line，但需要在 VDIFF 和 VFB 引腳之間連接一個下垂電阻 (RDROOP)，并采用內部寄存器配置（參見圖 4）。
圖4: 控制器Load-Line內部結構
首先，設計人員需要觀察變換器不使用Load Line時的電壓調整率來確定采用Load Line的效果。我們對MP2965 施加 160A 的電流階躍來模擬CPU 負載。圖 5 顯示了變換器在沒有直流Load Line時的響應。注意，電流瞬變期間出現較大的VOUT尖峰，帶來了205mV 的壓變，而這幾乎不能滿足表 1 提出的規格。
圖 5：沒有直流Load Line時，變換器對電流階躍的響應
通過公式 1，我們可以設計一個 0.67mΩ 的Load Line來滿足最小 VOUT 規格。估算過程如下所示：
圖 6 顯示了采用直流Load Line后產生的瞬態響應。
圖 6：采用直流Load Line后，變換器對電流階躍的響應
通過采用直流Load Line， VOUT 完美保持在表 1 指定的電壓范圍之內，電壓裕量約為允許范圍的 50%。充足的電壓裕量意味著還可以放寬某些設計約束，例如輸出電容，它也是降低輸出電壓峰值的關鍵要素之一。如表 2 所示，圖 5 和圖 6 中的電壓響應是 4.7mF 總輸出電容的響應，其中包含了60 個靠近 CPU 負載的 22μF MLCC 電容以及一些鋁電解電容。
MLCC 電容濾除電流瞬態響應的高頻分量，而鋁電解電容則濾除低頻分量。鋁電解電容也稱為大容量電容，它們經過專門設計，具有非常低的 ESR，但通常也是電路中最昂貴的電容。因此，減少大容量電容的使用可以降低總成本和BOM。
由于直流Load Line已經降低了瞬態峰值，大容量電容對瞬態響應的影響就變得不那么重要，這對大容量電容的 ESR 要求也隨之降低。因此，移除一些大容量電容不會對電路的瞬態響應產生顯著影響。圖 7 顯示了將大容量電容降低 50%（從 6 x 470μF 到 3 x 470μF）之后的測試結果。
圖 7：采用直流Load Line并減少大容量電容后，變換器對電流階躍的響應
為了同時增加正負尖峰的電壓裕量，我們在 VOUT端添加 40mV 的直流偏移。這樣可以將 VOUT 置于規格中定義的電壓范圍中心附近。
盡管采用較少大容量電容對電源的瞬態響應沒有明顯影響，但卻降低了成本，而且縮小了占板空間。
采用Load Line的另一個優勢是降低了 CPU 功耗。當 VOUT 設置為 1.8V/160A 時，負載功率為 288W。采用直流Load Line，并在最大電流下將 VOUT 降至 1.725 V，負載功率將變為 276W（如圖 7所示 ），這意味著凈功率節省了12W。
結論
服務器和計算應用要求電源能夠處理電流的大瞬態變化，同時還要滿足嚴格的 VOUT 調整率要求。
本文利用 MP2965 數字控制器實現了 PMBus 可配置Load Line，并展示出Load Line控制的優勢，例如提升效率和改善電源瞬態響應性能。文中還解釋了采用直流Load Line如何最小化所需的大容量電容，從而使設計人員能夠降低總體成本并最大限度地縮小電路板空間，同時，仍然能夠滿足服務器應用的規格要求。
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