マルチフェーズ降圧コンバータの負荷ライン設計
はじめに
5Gネットワーク、クラウドコンピューティング、モノのインターネット (IoT)、および仮想化の増加に伴い、ITインフラは高性能演算サーバーの需要をけん引しています。
サーバーの世代が新しくなるごとに、より高い演算能力と効率が必要になると同時に、電力要件も増加します。サーバーが市場の要求を確実に達成する重要な側面の1つは、マイクロプロセッサの電源がサーバー全体の動的応答と効率の両方に与える影響を理解し、最適なパフォーマンスが得られるように電源を構成することです。
サーバーアプリケーションは、過渡応答要件に関して特に要求が厳しくなります。これらの要件を満たすために、設計者は負荷ライン制御を実装できます。これは、アクティブ電圧ポジショニング (AVP) と呼ばれることもあります。
DC負荷ライン設計を理解する
負荷ライン(LL)制御とは、負荷電流に応じて、降圧コンバータの出力電圧 (VOUT) を調整可能な電源制御ループを修正することです。言い換えれば、VOUTは、もはやすべての負荷値に対して一定ではなく、代わりに電力需要に応じて変化します。調整された出力電圧は、式 (1) で計算できます。
$$V_{OUT} = V_{OUT(NOM)} - I_{OUT} \times R_{LL}$$ここで電源に負荷が接続されていない場合、VOUT(NOM)は最大VOUT、IOUTは負荷電流、RLLは等価負荷ラインインピーダンス (Ω) です。
図1は、すべての負荷に対して、VOUTを固定する従来のアプローチ (緑色で表示) に比べてロードラインレギュレーションを実施すると、どのようにDCロードレギュレーション (青い線で表示) が劣化し、電流が増加するにつれてVOUTが低下するかを示しています。負荷ラインによって作成される電圧スロープが、マイクロプロセッサに電力を供給するためのVOUT要件を満たすように設計する必要が依然としてあります。つまり、VOUTは、出力電流幅全体で、指定された電圧制限 (VMAXとVMIN) の範囲内に収まる必要があります。
図1 : DC負荷ラインによるVOUTと固定VOUT法
負荷ラインレギュレーションを実装する主な理由は、負荷電流が非常に大きいときに電圧を下げて、消費電力と消費損散逸損失を減らすことです。これは頻繁に議論される利点ですが、負荷ライン制御を実装するもう1つの利点は、サーバーの動的応答の向上方法です。
サーバーアプリケーションの電源は、多くの場合、大きな負荷過渡をサポートする必要があります。これは、サーバーアプリケーションの電源は、実行しているタスクによって電力要件が異なる、ストレージデバイスやCPUなどの負荷に電力を供給する必要があるためです。たとえば、サーバーの電源が100Aをはるかに超える電流ステップを供給することは珍しくありません。
図2は、負荷ラインを実装する前後の電源を示しています。電流ステップにより、負荷ラインのない電源 (紫の線で表示)で は、負荷過渡時に大きなオーバーシュートとアンダーシュートが発生します。これらのピークが最大または最小の電圧制限を超えると、負荷が故障して機能しなくなる可能性があります。負荷ラインの実装 (青い線で表示) でVOUTを徐々に調整することにより、これらのピークを排除し、過渡応答を向上できます。
図2 : 負荷ラインが過渡応答に及ぼす影響
負荷ラインはサーバーのパフォーマンスと効率を向上させますが、コンバータは常に設定された電圧制限内で動作する必要があるため、負荷ラインの設定は非常に正確でなければなりません。ほとんどの通信規格では理想的な負荷ラインの値が指定されていますが、基板の材質やレイアウトが異なるため、これらの値を微調整する必要がある場合があります。さもないと、高電力で動作している場合、負荷ラインが電圧を最小要件未満へ押し下げる可能性があります (図3参照)。
図3 : 最適ではない負荷ライン設定によって発生する誤差
DC負荷ラインによる出力容量の低減
負荷ライン制御の利点を示すために、電源レールの一般的なプロセッサ仕様を使用して一般的な例を作成しました。入力電圧 (VIN) は12V、出力電流 (ITDC) は220Aで、出力電圧 (VOUT) は1.8Vです。これらはすべてサーバーアプリケーションの電圧レールの一般的な値です。表1に仕様を示します。
表1 : 電源レールの仕様
| パラメータ | 値 |
| VIN | 12V |
| VOUT | 1.8V |
| ITDC | 220A |
| ΔVOUT | ±108mV (216mVppまたは6%) |
| ISTEP | 160A (0A〜160A) |
表2に出力容量 (COUT)、スイッチング周波数 (fSW)、および相数 (NPHASE) などのテスト条件を示します。
表2 : テストパラメータ
| パラメータ | 値 |
| fSW | 700kHz |
| NPHASE | 5 |
| COUT (VRに近い) | 6 x 470µF、12 x 47µF |
| COUT (CPU負荷時) | 60 x 22µF |
デュアルループ、デジタル、マルチフェーズコントローラのMP2965デュアルループ、デジタル、マルチフェーズコントローラの (RDROOP) の接続および内部抵抗設定が必要です (図4参照)。
図4 : コントローラの負荷ライン内部構造
まず、設計者は、コンバータが負荷ラインを使用しない場合の電圧レギュレーションを観察することで、負荷ラインの効果を確立する必要があります。CPU負荷をエミュレートするために、160Aの電流ステップをMP2965に適用しました。図5は、DC負荷ラインがない場合のコンバータの応答を示しています。過渡電流中に発生する大きなVOUTスパイクに注意してください。これは、205mVの電圧変動があることを意味しており、表1に示される仕様の範囲内にはめったにありません。
図5 : DC負荷ラインのない電流ステップに対するコンバータの応答
式 (1) を使用して、式 (2) で推定される0.67mΩの負荷ラインが最小のVOUT仕様を満たすように設計されました。
$$V_{OUT} = V_{ID} - I_{OUT} \times R_{LL} -> R_{LL} = \frac {V_{OUT(NOM)} - V_{OUT(MIN)}}{I_{OUT(MAX)}} = \frac {180mV}{160A} = 0.675mΩ$$図6は、DC負荷ラインを実装した後の過渡応答を示しています。
図6 : DC負荷ラインのない電流ステップに対するコンバータの応答
DC負荷ラインを実装することにより、VOUTは、表1に指定された電圧範囲内に十分に留まり、許容幅の約50％の電圧マージンがあります。この増加した電圧マージンは、出力電圧のピークを低減するために使用される重要な要素の1つである出力容量など、特定の設計上の制約を緩和できるということを意味します。表2に示すように、図5と図6に示される電圧応答は、CPU負荷に近接して配置された60個の22μFのMLCCコンデンサと数個のアルミニウム電解コンデンサで構成される、合計出力容量4.7mFの場合です。
MLCCコンデンサが電流過渡応答の高周波成分を除去し、アルミニウム電解コンデンサが低周波成分を除去します。これらのアルミニウムコンデンサはバルクコンデンサと呼ばれ、非常に低いESRをもつよう特別に設計されているため、通常、回路内で最も高価なコンデンサです。その結果、バルクコンデンサは少なくなり、全体的なコストとBOMが削減されます。
DC負荷ラインの実装で、過渡ピークがすでに低減しているため、バルクコンデンサは過渡応答にとってそれほど重要ではなくなり、バルクコンデンサのESR要件も減少します。したがって、一部のバルクコンデンサは、回路の過渡応答に大きな影響を与えることなく除去できます。 図7は、バルク容量を50％ (6 x 470µF～3 x 470µF) 低減した後の結果を示しています。
図7 : DC負荷ラインと少数のバルクコンデンサによる電流ステップに対するコンバータの応答
正と負の両方のスパイクの電圧マージンを増やすために、40mVのDCオフセットがVOUTに追加されました。これにより、VOUTは仕様で定義された電圧幅の中央付近になります。
バルクコンデンサは少なくなりますが、電源の過渡応答に目に見える変化はありません。ただし、それでもコストと基板スペースが削減されるという利点があります。
負荷ラインの追加の利点は、CPUの消費電力が削減されることです。VOUTは、160Aで1.8Vに設定され、負荷電力は288Wです。DC負荷ラインを実装し、最大電流で、VOUTを1.725まで下げることによって、図7の負荷電力は276Wであり、これは正味12Wの省電力になります。
結論
サーバーおよび演算アプリケーションでは、VOUTの厳密な規制要件を満たしながら、電流の大きく急激な変化を処理できる電源が必要です。
MP2965を使用して 、本稿では、PMBusで設定可能な負荷ラインを実装するためのデジタルコントローラについて、効率の向上や電源の過渡応答性能の向上など、負荷ライン制御の利点を実証しました。本稿では、DC負荷ラインを実装することで、必要なバルクコンデンサを最小限に削減し、設計者がサーバーアプリケーションの仕様を満たしながら、全体的なコストを削減し、基板スペースを最小限に抑える方法についても説明しました。
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