更高的能效已成為計算機服務器和高性能網絡設備的關鍵要求。冷卻這些系統的成本現在是其壽命成本以及自身能源使用的主要因素。這種系統依賴于先進的微處理器，并且在高性能計算應用的情況下，依賴于每秒數十億次浮點運算的通用圖形處理單元（GPGPU）。這些處理器通常密集封裝以最大化其空間效率，并且當以峰值速度運行時，每個處理器可能具有超過100W的功率需求。因此，在苛刻的條件下，功率轉換的熱效率至關重要。為了最大限度地減少服務器或交換機背板上的功率分配損耗，這些系統通常采用相對較高的中間電壓至少為12 V。然后使用負載點（POL）轉換器來提供這些器件所需的低電壓 - 通常約為1V。這通常導致需要高峰值電流值來處理處理器接近其熱封套運行的短暫時期。

傳統上，POL轉換器的設計旨在實現高負載時的最大效率，因為這是多余的熱量可能是最具破壞性的。目前使用的大多數POL轉換器在滿載時保證90％以上的效率。在密集的服務器中，這種效率至關重要，因為它確保標準空氣冷卻可以足夠快地移除熱量，以防止系統過熱以及處理器經歷熱關機的風險。在現代的基于互聯網的環境中，由于突然關閉處理器而丟失交易和請求會迅速損害收入和聲譽。但是，因為系統很少有超過一小部分處理器滿負荷運行，在需要強制空氣冷卻時可能會損失大量能量。由于傳統POL轉換器的效率隨著負載的降低而下降，因此需要更大比例的冷卻用于電力輸送基礎設施而不是處理器本身。如果POL轉換器可以更高效，則可以縮減強制空氣冷卻的要求，從而不僅可以節省服務器本身，還可以節省周圍的空調。

已經取得了進展。功率轉換技術，主要集中在每個POL轉換器消耗的電路板面積量的問題上。一種趨勢是開關頻率的增加以減少峰值電流需求，這有助于將諸如電容器的無源元件的尺寸保持最小。但是，開關頻率的推高程度有限，特別是在頻率影響較大的大電流系統中。通常，在轉換期間，控制開關的開關損耗與輸出電流乘以所提供的能量和開關周期本身成正比。

越來越多的POL IC設計人員正在尋求一種解決方案。單個輸入由多個轉換器處理。轉換器彼此同步運行，但使用不同的相位。多相轉換器中的振蕩器是同步的，使得每個相以相同的頻率（f）驅動，但相位移動360°/N，其中N是整個轉換器中的相數。每個降壓相的輸出與其他降壓相并聯，使得紋波頻率為Nf而不是f

圖1：三相情況下的通道輸入電流和輸入電容電流。

多相的使用意味著核心轉換拓撲保持了高頻操作的優勢，而不會縮短開關周期并且具有減少過紋波電流的好處，因為電流脈沖之間的間隙比單轉換拓撲短得多。這也改善了電磁干擾（EMI）特征，因為轉換器內的電流變化率低于傳統方法。對于多相或多相轉換器，有效工作頻率實際上是基頻開關頻率倍增按階段數量。因此，瞬態響應得到改善，這對于高級處理器非常重要，因為功率需求可以在極短的時鐘周期內發生變化。

多相降壓轉換器拓撲結構具有更多的封裝優勢。每個通道的轉換功率僅為可比較的單相降壓轉換器的一小部分，從而減小了設計中使用的電感器和功率MOSFET的尺寸。較小的功率MOSFET可降低動態損耗，因為它們具有較小的寄生電容。同樣，由于紋波電流減小，電容器的損耗也會降低。

圖2：針對一系列不同的多相選項的紋波電流與占空比的關系。

在峰值需求時，所有相位都在轉換器是活躍的。然而，隨著處理器減速并且其功率需求下降，轉換器可以關閉一個或多個相，從整體能量需求中消除該相的開關損耗。結果是POL轉換器以動態的方式響應負載的需求。可以使用PMBus信號將對相位的控制分配給本地微處理器或板級功率控制器。 PMBus命令可用于讓中央電源管理器開啟或關閉相位。

多相轉換器通過集成PWM（脈沖寬度調制）電流模式控制器，遙感，幫助最大限度地減少外部元件數量并簡化整個電源設計可選擇的相位控制，固有的電流共享能力，大電流MOSFET驅動器以及過壓和過流保護功能。在更高的功率水平下，可擴展的多相控制器可以減小電容器和電感器的尺寸和成本為了控制定制設計中的多相轉換，Intersil的ISL6364A具有雙PWM輸出，專為低壓處理器和GPU而設計。它有一個四相PWM來控制微處理器內核或內存電壓調節器。其第二個PWM控制器是單相設計，可控制外圍電壓調節器的I/O.該器件采用Intersil專有的增強型有源脈沖定位（EAPP）調制方案，以比標準設計更少的輸出電容實現快速瞬態響應。

ISL6364A的設計符合英特爾為VR12/IMVP7級穩壓器提供的規范。這些穩壓器支持POL轉換器和處理器之間的緊密合作。對于ISL6364A，控制器監視負載電流并使用IOUT寄存器將此信息報告給微處理器。反過來，如果處理器看到電流下降到某個點以下，則可以通過SVID總線向控制器發送低功率模式信號。然后，控制器可以使用單相或兩相操作進入低功率模式。在超低功耗模式下，它可以采用二極管仿真選項單相工作。在PSI低功率信號被置低后，降低的相位被加回以支持更重的負載。 ISL6364A還支持自動相位切除，無需處理器參與即可優化效率。

在極低的負載水平下，即使單相也會降低效率。 DC/DC控制器供應商已經實現了諸如脈沖跳躍或突發模式之類的技術。在突發模式下，開關電路僅在輸出電壓開始超出調節范圍時激活。

在凌力爾特公司的LTC3856等器件中，當平均電感電流高于平均電感電流時，會激活睡眠信號。加載。在睡眠模式期間，負載電流由輸出電容器提供。當輸出電壓下降得足夠遠時，睡眠信號被禁用，轉換器在下一個周期激活，以供電，直到重新確認睡眠信號。脈沖跳躍模式通過在檢測到輕載條件時不切換幾個周期來提供較低的紋波，盡管與突發模式相比總體效率降低。該架構為設計人員提供了一種節能方法，可以最好地適應效率和其他因素（例如輸出紋波）之間的權衡。

在更高的負載水平下，LT3856執行自動相位切除和重新激活。當板載反饋誤差放大器輸出電壓達到用戶可編程電壓時，觸發級脫落操作。在此編程電壓下，控制器關閉其一個或多個相位，并停止功率MOSFET開啟和關閉。這種在階段脫落時進行編程的能力為確定何時進入這種操作模式提供了靈活性。

對于需要對系統中運行的相數進行高度控制的設計，德州儀器（TI）推出了TPS40140 ，多功能控制器，可作為單個控制器運行，也可在多控制器配置中“堆疊”。 TPS40140有兩個通道，可配置為單相輸出的多相或具有兩個獨立輸出電壓的雙輸出。但是，單個控制器的兩個通道總是在180度異相切換。

在多器件系統中，通常需要同步每個器件的時鐘，以最大限度地減少輸入紋波電流以及輻射和傳導發射。這是通過將其中一個控制器指定為主控制器而將其他控制器指定為從屬控制器來實現的。為了創建一個12相系統，設計人員需要添加五個從器件，使用PHSEL和CLKIO線互連，然后設置它們響應主時鐘信號的方式。

從器件通過在主器件的PHSEL輸出上使用39kΩ串聯電阻器，從主CLKIO信號中檢測正確的時鐘信號。根據主機的設置方式，CLKIO信號在開關周期的每個周期產生六個或八個時鐘。為了進一步將總電流容量增加到12個相位，或增加輸出數量，使用5個從控制器，在PHSEL線路上設置兩個電阻器。為了實現12相操作，三個從控制器上的ILIM2引腳接高電平，以便它們在相應的CLKIO信號的下降沿觸發而不是默認的上升沿。

圖3 ：使用六個TPS40140器件進行十二相配置。由于能源效率仍然是服務器設計人員關注的一個領域，多相POL策略可能會變得更加普遍，我們將看到電路的進一步改進方式對負載要求和低負載條件的快速變化做出反應。