密度已成為計算機服務器設計的關(guān)鍵因素。摩爾定律使得將多個高性能內(nèi)核與支持邏輯一起放在單個片上系統(tǒng)（SoC）器件上成為可能。高密度現(xiàn)場可編程門陣列（FPGA）為應用加速和集成提供了進一步的可能性。

結(jié)果是在系統(tǒng)內(nèi)的每個邏輯板上部署了多個高性能SoC組件，以提供巨大的計算潛力。然而，推動更高集成度的工藝技術(shù)的變化對服務器內(nèi)的功率分配產(chǎn)生了連鎖反應。

處理器和FPGA設計團隊將核心邏輯的電源電壓降至1 V或更低。使用更高的電壓會導致高速晶體管損壞。 1.8 V至3 V范圍內(nèi)的電壓僅用于存儲器和外設的I/O.這導致了與十年前相比，需要向處理器和FPGA提供更高電流水平的情況。這一趨勢排除了傳統(tǒng)電源轉(zhuǎn)換架構(gòu)的使用。高電流需求通常指向使用能夠處理高負載和應力的較大無源元件。然而，這種較大的組件與更密集的服務器的趨勢相反，減少了電源轉(zhuǎn)換電路的可用PCB空間量。因此，適用于服務器的電源轉(zhuǎn)換器制造商已經(jīng)改變了他們的設計方法。

一個趨勢是開關(guān)頻率的增加，以減少峰值電流需求，這有助于保持無源元件的尺寸，如盡管需要精心設計技術(shù)來減少開關(guān)損耗的影響，但電容器應盡量減少。

今天，構(gòu)建服務器的最有效方法是采用分布式電源架構(gòu)，其中一個或多個前端PSU向中間和負載點（POL）DC/樹提供電流直流轉(zhuǎn)換器。分配電壓高于處理器和FPGA所需的分配電壓，以最大限度地減少布線損耗。一個關(guān)鍵的決定是需要設置配電電壓的水平。

將POL電源電壓降低到1 V或更低導致轉(zhuǎn)換器設計人員需要處理大輸入/輸出比，即使常用的分配電壓為12 V.為了支持機架上的較低損耗，制造商正在考慮使用24 V，36 V或甚至48 V常用的高電壓進行兩級轉(zhuǎn)換在電信交換機中，在電路板上轉(zhuǎn)換為12 V或5 V，最終的POL轉(zhuǎn)換器提供核心邏輯所需的低于1 V的電壓。然而，通過支持更大的比率，一些面向POL的產(chǎn)品可以支持更高的中間電壓而無需二次轉(zhuǎn)換階段。

圖1：單和用于中間配電的兩級選項。

Vicor制造的Picor PI33XX Cool-Power降壓穩(wěn)壓器系列采用高性能零電壓開關(guān)（ZVS）拓撲結(jié)構(gòu)，可提供高達98％的電源效率。采用ZVS拓撲結(jié)構(gòu)可實現(xiàn)高頻操作，從而最大限度地降低與使用硬開關(guān)拓撲結(jié)構(gòu)的傳統(tǒng)降壓調(diào)節(jié)器相關(guān)的開關(guān)損耗。 PI33XX系列的高開關(guān)頻率還減小了外部濾波元件的尺寸，提高了功率密度，同時實現(xiàn)了對線路和負載瞬態(tài)的快速動態(tài)響應。 PI33XX降壓穩(wěn)壓器可將8 V至36 V的輸入電源轉(zhuǎn)換為1 V至16 V的輸出電壓，輸出電流最高可達10 A，可提供高達120 W的功率。

PI33XX中的產(chǎn)品該系列與控制電路，功率半導體和支持元件高度集成，采用10 x 1 x 2.56 mm系統(tǒng)級封裝（SiP）。通過使用單線電流共享交錯多達六個PI33XX降壓調(diào)節(jié)器而無需額外組件，可以進一步提高功率輸出。 PI33XX系列降壓調(diào)節(jié)器僅需外部電感和最小陶瓷電容，用于輸入和輸出濾波，形成完整的高性能穩(wěn)壓器。無需頻率補償，參數(shù)設置或增量外部組件。 -40°C至125°C的寬工作溫度范圍允許在幾乎任何環(huán)境中使用。

圖2：Picor等設備Cool-Power展示了高度集成。

為了在最小輸出電容的小型封裝中提供高效率，International Rectifier的Gen3 SupIRBuck系列采用專有的調(diào)制器方案，可在需要高頻和高帶寬操作時實現(xiàn)抖動和無噪聲操作提供良好的瞬態(tài)響應。 12 A IR3894等產(chǎn)品可以承受1 V至21 V的輸入電壓，并提供低于1 V的低于1 V輸出，以支持最新的SoC。開關(guān)頻率可在300 kHz至1.5 MHz范圍內(nèi)進行編程，具有很高的靈活性。 IR3894采用薄型5 x 6 mm QFN封裝。與該系列中的其他產(chǎn)品一樣，低調(diào)且良好的散熱性能允許在沒有散熱器的情況下使用，這意味著該器件可以安裝在PCB的背面，為處理器和正面支持邏輯提供更多空間。對于SupIRBuck系列產(chǎn)品的整體而言，IR與其他集成解決方案相比，PCB空間節(jié)省20％，與分立解決方案相比節(jié)省60％。

適用于5 V或12 V中間產(chǎn)品，Altera的Enpirion EN2392QI是一系列用于高密度FPGA的功率轉(zhuǎn)換器之一。 Enpirion架構(gòu)采用高速MOSFET技術(shù)來支持兆赫茲的開關(guān)頻率。 EN2392QI將控制器，功率MOSFET，補償網(wǎng)絡和電感器集成在一個11 mm x 10 mm封裝中，一旦包含外部元件，總解決方案面積為235 mm 2 ，并提供超過的效率寬負載范圍內(nèi)的百分之九十 - 從3A到大于8A。

在開關(guān)損耗開始主導轉(zhuǎn)換器的整體功率損耗之前，開關(guān)頻率可以增加多遠可能有限。超過臨界頻率，效率將開始下降。多相或多相拓撲提供了解決此問題的方法。在該架構(gòu)中，轉(zhuǎn)換器將電路分成兩個或更多個相。每個階段負責提供負載所需總功率的一小部分。增加相位使得有可能實現(xiàn)高頻操作的承諾而不會減少實際的開關(guān)周期。有效工作頻率實際上是基本開關(guān)頻率乘以相數(shù)?？傮w效果是改善瞬態(tài)響應并減少紋波，而不會產(chǎn)生在更高基頻下運行的問題。

通過將轉(zhuǎn)換器連接在一起，與Picor Cool-Power器件一樣，可以使用多相在高開關(guān)速度下增加總功率水平的操作。多相兼容器件的一個例子是凌力爾特公司LTM4630，這是一種雙輸出獨立非隔離開關(guān)模式DC/DC電源。它可以提供兩個18 A輸出，相對較少的外部輸入和輸出電容和設置組件。

該模塊提供精確調(diào)節(jié)的輸出電壓，可通過4.5 V至1.5 V輸入電壓的0.6 VDC至1.8 VDC外部電阻進行編程，適合采用兩級中間總線架構(gòu)的服務器設計。 LTM4630具有雙集成恒定頻率電流模式穩(wěn)壓器和內(nèi)置功率MOSFET器件，經(jīng)過優(yōu)化，可在500 kHz頻率范圍內(nèi)進行開關(guān)。

通過連接器件之間的多個引腳并將相位控制引腳編程為不同每個級別的級別，六個設備上最多12個階段可以級聯(lián)，以便彼此同時運行。由于服務器處理器通常會關(guān)閉輕型工作負載，因此可以通過可選的突發(fā)模式操作或使用控制引腳的脈沖跳躍操作在這些條件下實現(xiàn)高效率。

圖3：采用凌力爾特LTM4630的四相配置。

通過專注于先進的控制和新穎的SIP技術(shù)，功率轉(zhuǎn)換器設計人員正在幫助提高計算機服務器的密度并提高性能在不犧牲效率的情況下裝入狹小的空間。 MOSFET技術(shù)和控制算法的進一步改進可能會進一步提高效率和熱量。