使用實時 MCU 順應服務器電源的設計趨勢
發布時間：2021-12-13 17:02
發布者：eechina
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作者：德州儀器 隨著服務器和數據中心在全球范圍內的應用日益廣泛，對穩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據中心的計算速度。應用效益的提高催生了電源裝置 (PSU) 的發展，以提供高能效、快速瞬態響應、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，降低運營數據中心的成本及其對環境的影響。這種能力使數據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高于平均水平的鈦金級能效，并向環境排放更少的二氧化碳。 快速瞬態響應 在服務器電源應用中，具有快速瞬態響應有助于在不斷變化的負載和輸入瞬態情況下，實現穩定可靠的系統運行。此外，系統需要滿足服務器電源原始設備制造商更嚴格的瞬態響應規格：在 2.5A/μS 至 5A/μS 之間實現 80% 至 100% 的負載跳躍。圖 1 說明了這些參數。 
圖 1：瞬態響應參數 更高的功率密度和更大的電源容量 服務器和數據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) 等電源技術可實現更小巧的電源。為了在電源系統中實現高功率密度和縮減整個系統的物料清單，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 為了實現上述優勢，服務器 PSU 制造商面臨幾項設計挑戰，例如 • 實現復雜的電源拓撲，例如圖騰柱無橋功率因數校正和控制算法，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、高控制環路速度和高開關頻率。圖 2 顯示了一個示例 PSU 框圖。
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。它們將繼續通過靈活和創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。
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 個有效位數和一個后處理塊的 4MSPS 模數轉換器），實現了服務器PSU的高能效和快速瞬態響應。MCU 還集成了具有優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，可實現精確的功率轉換。 高性能處理 F280039C 基于 32 位數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加速器等特性，可實現更高的功率密度和高瞬態響應，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 系統中，即使在高頻下，實現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 技術來實現高功率密度。 C2000 實時 MCU 在服務器 PSU 系統中的其他優勢 除了電源管理和快速實時控制的趨勢外，F280039C 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），可實現更快速度、更高數據速率和可靠的主機通信。 • 通過加密功能（例如高級加密標準、安全啟動和安全聯合測試行動組）實現安全性，可在這個更加互聯的世界中保護代碼和數據免受外部攻擊，解決業界擔憂。 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 設計人員的開發速度。 |
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