堆疊負載架構的改良

作者：ADI 應用技術團隊 資深首席工程師Laszlo Lipcsei、傑出成員 Alexandr Ikriannikov及資深工程師Di Yao

簡介

隨著伺服器（尤其是人工智慧應用）的負載電流不斷提高，而電軌電壓趨於下降，PCB上的傳導損耗變得越來越有害。通常認為採用堆疊功率元件和處理功率差有可能解決該問題，如參考資料[1-4]中所述。特別是[1]中引入了能量交換器概念，僅用於處理功率差。在此架構中，觀測系統軌中的平均電流，而非串聯元件的最小電流。由於損耗一般與處理的功率成正比，因此降低處理的功率通常會減少損耗。請注意，能量交換器架構中可以使用不同的轉換器，包括不同的電容電路[1]。

為將此概念擴展到需要積極瞬變管理的應用，可增加穩壓器(VR)以處理快速瞬態負載，如[2-3]所示。關於針對AI市場的低電壓、大電流應用，[4]中詳細說明了所建構的原型板。單端能量交換器使用開關電容電路來實現，類似於先前在[3]中提出的方法。正如預期，當處理相當大的功率差時，單端能量交換器為負載Vo軌造成了顯著的雜訊污染。報告的實測系統在250W滿負載時的效率約為86%，如果改進偏置電路，效率預計可提高約2%。

堆疊負載系統

本文提出一種堆疊負載原型，其在450W滿負載下可實現>95%的效率。能量交換器也有重要改良。

堆疊負載原型的框圖如圖1所示。主穩壓器VR_total為堆疊負載提供全功率，主要目標是效率盡可能高。四個快速穩壓器負責每個相應負載軌上的精準電壓調節和瞬態響應。如果負載完美匹配，這些快速VR處理的就是零功率，只有在負載不匹配時，它們才會處理功率差。快速VR的熱設計電流比VR_total更小，因為我們假設最大負載差小於滿負載。然而，設計快速VR使其能夠承受每個負載的滿量程瞬變很重要，因為即使所有負載平均而言匹配得非常好，也很難指望所有負載的瞬變階躍完美匹配，而且較慢的VR_total調整輸出電流需要較長時間。

能量交換器確保快速VR的所有輸入軌之間進行功率交換。如果VR_total僅驅動串聯的線性負載，則輸出電流由最低負載電流決定。但是，當增加能量交換器時，理想情況下VR_total輸出電流可成為所有負載之間的平均電流。實際上，該電流略高，因為它需要補償快速VR和能量交換器中的損耗。

我們評估了能量交換器的兩種不同設計：最初考慮的單端能量交換器（如圖2所示）和來自[1]的全差分能量交換器（如圖3所示）。

圖2中的單端能量交換器存在一個問題——每個飛跨電容的返回電流必須經過串聯負載的Co bulk電容。相較於降壓轉換器（VR_total和快速VR）的輸出電流，這些充電-放電電流含有快得多的交流成分。圖4a顯示了使用單端交換器的模擬系統性能，圖1中負載RL4的電流階躍為50A。所有軌一般都有明顯的雜訊，當能量交換器開始向VR_4的輸入移動電荷時，雜訊會顯著增加。

此雜訊問題似乎在圖4b中得到解決，差分能量交換器不會強制任何電流經過負載或負載軌的Co旁路。

堆疊負載系統的原型實現如圖5所示。我們設計了兩個版本，其唯一區別在於能量交換器：一個設計使用圖2中的單端解決方案，另一個設計使用圖3中的差分交換器。

使用由可插拔模組實現的快速瞬變負載來評估動態性能（圖中僅顯示了一個用於快速瞬變的插拔模組）。主機板還有用於快速VR的連接器。這種佈置支援輕鬆調整和更改快速VR模組。

測量結果

圖6顯示了在平衡負載下運行的整個系統的效率，包括來自12V輸入和控制的所有偏置電路。負載電壓在0.8V、0.9V和1.0V下進行了測試。兩種不同能量交換器方案EE1和EE2的效率性能非常接近，並且在標稱工作條件下，V_O = 4 x 0.9V = 3.6V在滿負載時達到95%以上。請注意，所有負載並聯時，相當於500A電流進入單個V_O = 0.9V軌。在這些條件下實現的>95%的系統效率明顯優於已發佈的效率資料。高效率主要由兩個因素驅動：一是四個負載串聯，輸出電流減少4倍，二是主VR_total將全功率提供給高4倍的Vstack電壓(4 x V_O )，更高的V_O 通常會提高VR效率。

雖然這是一個使用現成元件製作的原型板，並且元件沒有優化，但其仍然實現了很高的效率，這要部分歸功於主VR_total中使用的耦合電感以及快速VR模組。

一般而言，給定的合理大小的耦合電感允許保持較低開關頻率，進而降低開關損耗。這對於快速VR尤其重要，因為在負載平衡的情況下，這些VR不會處理很大的功率，但仍存在開關損耗，因此需要予以降低。

圖7和圖8顯示了兩種不同能量交換器運行的重大差異——第一個 V_O1軌和VR1輸入電源軌上的電壓漣波。圖7和圖8的條件相同： V_O4軌負載為I_O = 50A，所有其他軌為零電流。因此，能量交換器從其他軌轉移大量功率供 V_O4軌使用。單端能量交換器通過 V_O1軌上的C_O寄生驅動很大的尖峰（這在[4]中顯然也是一個問題），而差分能量交換器對 V_O軌無影響，只有在相對慢的時間內產生很小的漣波——這與降壓轉換器電流（而非開關電容電路）有關。

最重要的影響是快速電壓尖峰從單端能量交換器的>60mV（>6.6%的V_O = 0.9V）降低到差分情況的< 25mV（< 2.8%的V_O = 0.9V）。在後一種情況下，電壓漣波根本沒有高頻尖峰，只有與降壓轉換器中的漣波電流相關的漣波。結果與模擬的預期趨勢一致。電源軌上的快速尖峰可能對數位電路有害，緩解此問題很重要。V_O值預計會進一步降低，相同幅度的雜訊對快速負載運行的影響更大。

使用圖3中的差分能量交換器還實現了雜訊改善，即在不同飛跨電容的開關事件之間進行相移。請注意，這對於圖2中的單端電路是不可能的，所有電容必須同時切換。

圖9顯示了快速瞬變性能，a) 是在 V_O1軌上載入100A，b) 是卸載100A。其他軌無負載。因此，雖然最初快速VR1提供全部100A，但25A平均電流來自VR-total，快速VR1僅向100A負載提供75A。查看 V_O1軌上不斷變化的壓降，請注意VR_total需要大約10us才能提供25A平均電流，快速VR1壓降成比例地降低。相應地，VR2、VR3和VR4從其電源軌中減去25A，並將該功率轉移到能量交換器和VR1。能量交換器電壓未經過調節。因此，快速VR1（黃色跡線）的輸入軌建立需要超過10us的時間。

結論

本文介紹了實現全功能堆疊負載原型的方法，在相同V_O和總P_O條件下，其效率（在V_O = 0.9V和 P_O = 450W時>95%）一般高於傳統架構。原型板由現成元組件製成，若針對客戶規格進行優化可望實現更高的性能。

T堆疊負載功率輸送的概念在提升效率方面顯示出良好的前景，配電損耗明顯降低，並且由於負載電壓 V_STACK提高，主VR以更高的效率運行。另請注意，當負載密集佈置時，負載電流的明顯降低應該會進一步改善PCB損耗。換言之，實際客戶應用的非常密集的大電流和低壓負載對配電損耗提出了更大的挑戰。因此，堆疊負載架構帶來的改進高於某些原型板。

基於早期開發的能量交換器概念[1]，針對浮空軌的差分能量交換器顯示出更好的負載電壓軌雜訊行為，因為任何負載條件下的任何快速電流和相關電壓尖峰都被消除。

參考資料

¹ A. Ikriannikov和A. Stratakos，“System, method, module, and energy exchanger for optimizing output of series-connected photovoltaic and electrochemical devices”（用於優化串聯光伏和機電設備的系統、方法、模組與能量交換器），美國專利9,331,499，2011年4月提交。

²E. Candan、P. Shenoy和R. Pilawa-Podgurski，“A Series Stacked Power Delivery Architecture with Isolated Differential Power Conversion for Data Centers”（適用於資料中心的採用隔離式差分功率轉換的串聯堆疊輸電架構），IEEE電力電子會議論文集，第31卷，第5期，2016年5月。

³S. Jiang; G. Sizikov; M. Popovich，“Power balancer for series-connected load zones of an integrated circuit”（積體電路串聯負載區的功率平衡器），美國專利10,985,652，2020年3月提交。

⁴ K. Kshirsagar、D. Clavette、P. Kasturi和W. Huang，“Power Loss Reduction in Power Distribution Network Through Vertical Stacking”（透過垂直堆疊降低配電網路的功率損耗），IEEE 2021應用電力電子會議行業分會，2021年6月。