使用实时 MCU 顺应服务器电源的设计趋势

作者：德州仪器

随着服务器和数据中心在全球范围内的应用日益广泛，对稳定高效电源的需求越来越强烈，以应对不断增加的功耗。用电量一直快速增长，因此需要更多的集成中央处理单元、图形处理单元和加速器来提高服务器和数据中心的计算速度。应用效益的提高催生了电源装置 (PSU) 的发展，以提供高能效、快速瞬态响应、高功率密度和更大的电源容量。

高能效

具有高能效的服务器 PSU 可通过减少功耗和更大程度提高电源到负载间的功率传输效率，降低运营数据中心的成本及其对环境的影响。这种能力使数据中心能够满足日益严格的能效标准（例如 80 Plus），在各种负载范围内实现高于平均水平的钛金级能效，并向环境排放更少的二氧化碳。

快速瞬态响应

在服务器电源应用中，具有快速瞬态响应有助于在不断变化的负载和输入瞬态情况下，实现稳定可靠的系统运行。此外，系统需要满足服务器电源原始设备制造商更严格的瞬态响应规格：在 2.5A/μS 至 5A/μS 之间实现 80% 至 100% 的负载跳跃。图 1 说明了这些参数。


图 1：瞬态响应参数

更高的功率密度和更大的电源容量

服务器和数据中心的功耗不断增长，因此需要更大的电源容量。通过在更小的空间内提供更大的电源容量，氮化镓 (GaN) 等电源技术可实现更小巧的电源。为了在电源系统中实现高功率密度和缩减整个系统的物料清单，使用实时微控制器 (MCU) 控制高开关频率至关重要。

攻克服务器 PSU 的设计挑战

为了实现上述优势，服务器 PSU 制造商面临几项设计挑战，例如
•        实现复杂的电源拓扑，例如图腾柱无桥功率因数校正和控制算法，包括零电压开关、零电流开关、同步整流时序和具有混合迟滞控制的电感-电感-电容谐振直流/直流转换。
•        启用实时控制性能，加快控制回路的执行。
•        在采用 GaN 和碳化硅 (SiC) 等宽带隙功率器件时减少功耗，同时保持更高的开关频率。

为了满足服务器 PSU 系统对电源效率和功率密度不断增长的要求，实时 MCU 需具有几个关键特性，例如低延迟信号链、高脉宽调制 (PWM) 灵活性和分辨率、高控制环路速度和高开关频率。图 2 显示了一个示例 PSU 框图。


图 2：具有交流/直流和直流/直流级的服务器电源典型双控制器架构

TMS320F280039C C2000™ 实时 MCU 提供上述所有特性，还可帮助满足或减少服务器 PSU 的设计预算。它们将继续通过灵活和创新的功能改进集成的实时信号链（感应、处理和控制）。图 3 显示了 F28003x 系列。


图 3：F28003x MCU 扩展了 C2000 实时 MCU 产品组合

高精度检测

F280039C MCU 通过其集成式模拟元件（包括多个可灵活管理转换启动、具有 11 个有效位数和一个后处理块的 4MSPS 模数转换器），实现了服务器PSU的高能效和快速瞬态响应。MCU 还集成了具有优化电源控制功能的快速模拟比较器，例如消隐、延迟跳闸、峰值电流模式控制和斜率补偿，可实现精确的功率转换。

高性能处理

F280039C 基于 32 位数字信号处理器架构并结合了控制律加速器，可提供超过 240MIPS 的实时性能，具有浮点单元和三角函数加速器等特性，可实现更高的功率密度和高瞬态响应，能够处理复杂的时间关键型计算。

灵活的高分辨率控制

在大功率服务器 PSU 系统中，即使在高频下，实现更大的电源容量并保持相位间同步也至关重要。F280039C 提供 150ps 分辨率的 PWM 通道，具有谷底开关、延迟跳闸、死区时间调整和全局重新加载等功能，可以精确控制复杂的电源拓扑和控制算法。集成的可配置逻辑块进一步增强了 PWM 的灵活性，并无缝衔接 GaN 技术来实现高功率密度。

C2000 实时 MCU 在服务器 PSU 系统中的其他优势

除了电源管理和快速实时控制的趋势外，F280039C MCU 还可以满足服务器 PSU 的几项其他热点要求：
•        实时固件更新可以在不中断电源的情况下无缝切换到新固件，并通过具有多个闪存选项的多组型号和更快的闪存组擦除时间，更大限度降低软件开销。
•        通信接口从 PMBus 转到控制器局域网 (CAN) 总线（以及可能的 CAN-FD），可实现更快速度、更高数据速率和可靠的主机通信。
•        通过加密功能（例如高级加密标准、安全启动和安全联合测试行动组）实现安全性，可在这个更加互联的世界中保护代码和数据免受外部攻击，解决业界担忧。

结语

F280039C MCU 在 C2000 MCU 平台上进行了扩展，提供集成功能，可帮助您实现高级实时控制，同时降低物料清单成本。F28003x MCU 系列通过解锁 GAN 和 SiC 等宽带隙技术的全部潜力，实现了更高能效、更高功率密度以及更快响应时间，与这些技术相得益彰。简便易用的软件可加快服务器 PSU 设计人员的开发速度。