密度已成為計(jì)算機(jī)服務(wù)器設(shè)計(jì)的關(guān)鍵因素。摩爾定律使得將多個(gè)高性能內(nèi)核與支持邏輯一起放在單個(gè)片上系統(tǒng)（SoC）器件上成為可能。高密度現(xiàn)場(chǎng)可編程門陣列（FPGA）為應(yīng)用加速和集成提供了進(jìn)一步的可能性。

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

處理器和FPGA設(shè)計(jì)團(tuán)隊(duì)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(huì)導(dǎo)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(chǔ)器和外設(shè)的I/O.這導(dǎo)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(shì)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(fù)載和應(yīng)力的較大無(wú)源元件。然而，這種較大的組件與更密集的服務(wù)器的趨勢(shì)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(wù)器的電源轉(zhuǎn)換器制造商已經(jīng)改變了他們的設(shè)計(jì)方法。

一個(gè)趨勢(shì)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(wú)源元件的尺寸，如盡管需要精心設(shè)計(jì)技術(shù)來(lái)減少開關(guān)損耗的影響，但電容器應(yīng)盡量減少。

今天，構(gòu)建服務(wù)器的最有效方法是采用分布式電源架構(gòu)，其中一個(gè)或多個(gè)前端PSU向中間和負(fù)載點(diǎn)（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(gè)關(guān)鍵的決定是需要設(shè)置配電電壓的水平。

將POL電源電壓降低到1 V或更低導(dǎo)致轉(zhuǎn)換器設(shè)計(jì)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(jī)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(jìn)行兩級(jí)轉(zhuǎn)換在電信交換機(jī)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(wú)需二次轉(zhuǎn)換階段。

圖1：?jiǎn)魏陀糜谥虚g配電的兩級(jí)選項(xiàng)。

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?fù)浣Y(jié)構(gòu)，可提供高達(dá)98％的電源效率。采用ZVS拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)可實(shí)現(xiàn)高頻操作，從而最大限度地降低與使用硬開關(guān)拓?fù)浣Y(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(shí)實(shí)現(xiàn)了對(duì)線路和負(fù)載瞬態(tài)的快速動(dòng)態(tài)響應(yīng)。 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(dá)10 A，可提供高達(dá)120 W的功率。

PI33XX中的產(chǎn)品該系列與控制電路，功率半導(dǎo)體和支持元件高度集成，采用10 x 1 x 2.56 mm系統(tǒng)級(jí)封裝（SiP）。通過使用單線電流共享交錯(cuò)多達(dá)六個(gè)PI33XX降壓調(diào)節(jié)器而無(wú)需額外組件，可以進(jìn)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(wú)需頻率補(bǔ)償，參數(shù)設(shè)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(shè)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(shí)實(shí)現(xiàn)抖動(dòng)和無(wú)噪聲操作提供良好的瞬態(tài)響應(yīng)。 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(jìn)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(duì)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(lái)支持兆赫茲的開關(guān)頻率。 EN2392QI將控制器，功率MOSFET，補(bǔ)償網(wǎng)絡(luò)和電感器集成在一個(gè)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(fù)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(dǎo)轉(zhuǎn)換器的整體功率損耗之前，開關(guān)頻率可以增加多遠(yuǎn)可能有限。超過臨界頻率，效率將開始下降。多相或多相拓?fù)涮峁┝私鉀Q此問題的方法。在該架構(gòu)中，轉(zhuǎn)換器將電路分成兩個(gè)或更多個(gè)相。每個(gè)階段負(fù)責(zé)提供負(fù)載所需總功率的一小部分。增加相位使得有可能實(shí)現(xiàn)高頻操作的承諾而不會(huì)減少實(shí)際的開關(guān)周期。有效工作頻率實(shí)際上是基本開關(guān)頻率乘以相數(shù)。總體效果是改善瞬態(tài)響應(yīng)并減少紋波，而不會(huì)產(chǎn)生在更高基頻下運(yùn)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(gè)例子是凌力爾特公司LTM4630，這是一種雙輸出獨(dú)立非隔離開關(guān)模式DC/DC電源。它可以提供兩個(gè)18 A輸出，相對(duì)較少的外部輸入和輸出電容和設(shè)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(jìn)行編程，適合采用兩級(jí)中間總線架構(gòu)的服務(wù)器設(shè)計(jì)。 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(jìn)行開關(guān)。

通過連接器件之間的多個(gè)引腳并將相位控制引腳編程為不同每個(gè)級(jí)別的級(jí)別，六個(gè)設(shè)備上最多12個(gè)階段可以級(jí)聯(lián)，以便彼此同時(shí)運(yùn)行。由于服務(wù)器處理器通常會(huì)關(guān)閉輕型工作負(fù)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(shí)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(jìn)的控制和新穎的SIP技術(shù)，功率轉(zhuǎn)換器設(shè)計(jì)人員正在幫助提高計(jì)算機(jī)服務(wù)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(jìn)一步改進(jìn)可能會(huì)進(jìn)一步提高效率和熱量。