デジタル マルチフェーズ コントローラによるデータセンターへの電力供給
はじめに
2020年9月 - クラウドサービスの爆発的な成長により、データセンター、ネットワーク、通信機器が大幅に進歩しました。革新的な要求は、これらの増え続けるデータ量を処理するサーバー、ストレージ、およびネットワークスイッチに衝撃を与えます。インフラストラクチャ機器は、処理能力と帯域幅の点で限界に追いやられています。電力設計者にとっての主な挑戦課題は、最小限の電力でデータセンター機器に効率的に電力を供給して冷却する方法です。設計者は、今日の高度なCPU / ASICおよびFPGAを使用する場合、電力量と熱性能のバランスをとる必要もあります。
マルチフェーズソリューションがデータセンターの効率とサイズを改善
エンドシステム全体の機能が向上すると、それに対応して、新しいデータセンターの設計要件に対応するための処理能力が向上します。この処理機能は、ハイエンドのCPU / ASICとプロセッサがサーバー、ストレージ、ネットワーク機器を実行するデータセンターに集中化されています。サーバーとネットワーク機器は、通信機器を介してネットワーク全体に分散され、ポイントオブセールマシン、デスクトップ、およびCPU / ASICとFPGAを使用する組み込みコンピューティングシステムとのトランザクションのポイントに出現します。
上記の場合、CPU / ASICとプロセッサには、同様の電力プロファイルを備えた同様のデジタル処理ニーズがあります。今日のプロセッサの形状は縮小していますが、トランジスタの数も多く、複雑さに応じて100A〜500A以上の範囲の高い出力電流が必要になります。業界は、低電力状態をデジタル負荷に統合することで適応しています。これにより、デバイスはより低い電流のアイドル状態になり、必要に応じてフルパワーのピークになります。これは、システム全体の電力バジェットにとって有益ですが、フルパワーエンドの電力設計者にとっては別の課題が追加されます。まず、データセンターの電源は、狭い出力レギュレーションウィンドウを維持しながら、1マイクロ秒未満で100Aを超える大きな負荷ステップの需要に対応する必要があります。第二に、熱性能は注意深く、確実に管理され、全出力範囲を持続できる能力を維持する必要があります。
マルチフェーズ電圧レギュレータモジュール (VRM) は、これらの設計上の課題に対処します。VRMは、通常12V入力から1V (またはそれ以下) の出力への電力変換を提供します。このような大きな負荷電流を提供するには、単相で供給しようとするよりも、負荷をより小さなステージ (フェーズと呼ばれる) に分割するマルチフェーズソリューションを設計する方が簡単です。1つのフェーズで過剰な電流を供給しようとすると、磁気ステージと電力ステージを設計する際の課題と、電力損失の観点からの熱の問題が発生します。マルチフェーズソリューションは、高電流を供給する単一ステージよりも高効率、小型、低コストを実現します。これは、最終負荷の処理負担を分割するマルチコアCPUに類似しています。
データセンターに電力を供給するデジタル制御
アナログ制御は、何十年にもわたって信頼できる方法論および電力システムソリューションでした。ただし、大電流および高電力アプリケーションとなると、アナログ制御には欠点があります。ハイエンドの電源ソリューションの場合、電源システムはよりインテリジェントでソリューション全体に統合されている必要があり、電源ソリューションとメインCPU / ASIC間の通信が設計上必要となります。
これが、デジタル制御ソリューションがデータセンターアプリケーションにとって非常に有益である理由です。これを例示するために、MPSのMP2888Aを見てみましょう。これは、アナログベースのレガシーコントローラを置き換えることができるデジタルマルチフェーズコントローラです。MP2888Aは、PMBusおよびPWM-VIDインタフェースを備えた10相、デジタル、マルチフェーズコントローラです (表1を参照)。
| MP2888A | 従来のアナログ コントローラ | |
| 通信プロトコル | PWM-VIDおよびPMBus | PWM-VID |
| 最大フェーズ数 | 10 | 最大8 |
| 遠隔測定 | あり | なし |
| 障害処理 | あり、レジスタに設定 | 追加のICまたは外部部品が必要 |
| パッケージ | QFN (5mm x 5mm) | QFN (5mm x 5mm) |
表1 : MPSデジタルコントローラ 対 従来のアナログコントローラ
PWM-VIDを実装するために、MP2888Aは、そのデジタル制御技術により、パッケージに1つのピンを必要とするだけです。同じ機能を実装するために一般に4ピンソリューションと7つ以上の高精度外部部品を必要とするアナログコントローラと比較してください (図1を参照)。高精度の部品は機能を向上させますが、ソリューション全体のコストも押し上げます。
a) アナログコントローラでのPWM-VIDおよびREFINでの物理回路の実装
b) MP2888AのPWM-VIDおよびREFINでのプログラム可能なレジスタベースの実装
図1：PWM-VIDの実装 (アナログ 対 デジタルコントローラ)
従来のアナログコントローラでは、フィードバック補償ループを形成するためにRC回路が必要です。補償ループの最適化は、外部部品の正しい値を計算し、さまざまな動作条件を満たすために、多くの場合、複数の試行錯誤を必要とします。エンジニアは、システムをテストおよび再テストする前に、これらの部品を物理的に変更する必要もあります。
デジタル制御ソリューションは、反復的で労働集約的な活動を排除し、システムの微調整プロセスを手間をかけずに行います。デジタル制御ソリューションは、自動ループ補償により外部部品を使用せず、PMBusを介してレジスタ設定を調整することで簡単に微調整できます。負荷ラインのキャリブレーション (オーバークロック中にCPU / ASICを安定させるための便利な機能) は、1つの抵抗を使用して許容帯域を正しく設定することで簡単に実行できます。デジタルコントローラと比較して、アナログコントローラはループ補償と負荷ラインキャリブレーションのために14を超える外付け部品を必要とします (図2を参照)。
アナログコントローラ
MP2888A
図2 : 負荷ラインおよびループ補償 (アナログ 対 デジタルコントローラ)
デジタルコントローラはシステム設計を簡素化します。エンジニアにとっては、これによりPCBレイアウト設計の複雑さが緩和されます。 図3に、アナログコントローラとデジタルコントローラの比較を示します。デジタルコントローラはボード面積を36％節約でき、従来の部品数の半分以下しか必要としません。
アナログコントローラ
MP2888A
図3 : PCBレイアウトの複雑さ (アナログ 対 デジタルコントローラ)
一般的なアナログコントローラは、1つのPWM信号を使用して単一のパワーステージを駆動します。データセンターなど、プロセッサが負荷電流に対して少なくとも500A以上を要求する高電力アプリケーションの場合、一般的なアプローチは次のとおりです。
- フェーズ数が最も多いコントローラを選択します (例 : 20相)
- 元の信号によって形成される2つのインターリーブ信号を生成することにより、位相数を2倍にする位相ダブラーを使用します
ただし、実際の20相アナログまたはデジタルコントローラはまだ市場に存在しておらず、フェーズダブラーはシステム設計の複雑さを増し、かつ部品とコストを追加します。
対照的に、MP2888Aなどのデジタルコントローラは、1つの共通PWM信号で2つのパワーステージを駆動できます (図4を参照)。このタイプのデジタルコントローラは、2つのパワーステージ間で電流のバランスと共有を確保するためのフェーズダブラーの必要性を排除します。この場合、20相のシステム設計は、10相のデジタルマルチフェーズコントローラで実現できます。
図4 : MP2888Aは、1つの共通PWM信号で2つのIntelli-PhaseTMデバイスを駆動します
結論
マルチフェーズソリューションは、データセンターなどの大電流・電力アプリケーションに電力を供給するという課題を解決するためのより優れた機能を可能にするデジタル制御に進化しました。デジタル制御ソリューションを使用すると、部品の選択、ループ / パフォーマンスの最適化、およびレイアウトの設計負担が大幅に軽減されます。これらの制御ソリューションは、全体的な設計時間、システムのトラブルシューティングを短縮し、最終的に市場投入までの時間を短縮します。
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