堆叠负载架构的改进

简介

随着服务器（尤其是人工智能应用）的负载电流不断提高，而 电轨电压趋于下降，PCB上的传导损耗变得越来越有害。通常 认为采用堆叠功率元件和处理功率差有可能解决该问题，如参考文献[^1–4]中所述。特别是[¹]中引入了能量交换器概念，仅用于处理功率差。在此架构中，观测系统轨中的平均电流，而非串联元件的最小电流。由于损耗一般与处理的功率成正比，因此降低处理的功率通常会减少损耗。请注意，能量交换器架构中可以使用不同的转换器，包括不同的电容电路[¹]。

为将此概念扩展到需要积极瞬变管理的应用，可添加稳压器(VR)以处理快速瞬态负载，如[^2–3]所示。关于针对AI市场的低电压、大电流应用，[⁴]中详细说明了所构建的原型板。单端能量交换器使用开关电容电路来实现，类似于先前在[³]中提出的方法。正如预期的那样，当处理相当大的功率差时，单端能量交换器给负载V_O轨造成了显著的噪声污染。报告的实测系统在250W满负载时的效率约为86%，如果改进偏置电路，效率预计可提高约2%。

堆叠负载系统

本文提出一种堆叠负载原型，它在450W满负载下可实现>95%的效率。能量交换器也有重要改进。

堆叠负载原型的框图如图1所示。主稳压器VR_total为堆叠负载提供全功率，主要目标是效率尽可能高。四个快速稳压器负责每个相应负载轨上的精确电压调节和瞬态响应。如果负载完美匹配，这些快速VR处理的就是零功率，只有在负载不匹配时，它们才会处理功率差。快速VR的热设计电流比VR_total小得多，因为我们假设最大负载差小于满负载。然而，设计快速VR使其能够承受每个负载的满量程瞬变很重要，因为即使所有负载平均而言匹配得非常好，也很难指望所有负载的瞬变阶跃完美匹配，而且较慢的VR_total调整输出电流需要较长时间。

能量交换器确保快速VR的所有输入轨之间进行功率交换。如果VR_total仅驱动串联的线性负载，则输出电流由最低负载电流决定。但是，当添加能量交换器时，理想情况下VR_total输出电流可成为所有负载之间的平均电流。实际上，该电流略高，因为它要补偿快速VR和能量交换器中的损耗。

我们评估了能量交换器的两种不同设计：最初考虑的单端能量交换器（如图2所示）和来自[1]的全差分能量交换器（如图3所示）。

图2中的单端能量交换器存在一个问题——每个飞跨电容的返回电流必须经过串联负载的C_O bulk电容。与降压转换器（VR_total和 快速VR）的输出电流相比，这些充电-放电电流含有快得多的交流成分。图4a显示了使用单端交换器的仿真系统性能，图1中负载RL4的电流阶跃为50A。所有轨一般都有明显的噪声，当能量交换器开始向VR_4的输入移动电荷时，噪声会显著增加。

此噪声问题似乎在图4b中得到解决，差分能量交换器不会强制任何电流经过负载或负载轨的 C_O旁路。

堆叠负载系统的原型实现如图5所示。我们设计了两个版本，其唯一区别在于能量交换器：一个设计使用图2中的单端解决方案，另一个设计使用图3中的差分交换器。

使用由可插拔模块实现的快速瞬变负载来评估动态性能（图中仅显示了一个用于快速瞬变的插拔模块）。主板还有用于快速VR的连接器。这种布置支持轻松调整和更改快速VR模块。

测量结果

图6显示了在平衡负载下运行的整个系统的效率，包括来自12V输入和控制的所有偏置电路。负载电压在0.8V、0.9V和1.0V下进行了测试。两种不同能量交换器方案EE1和EE2的效率性能非常接近，并且在标称工作条件下，V_O = 4 x 0.9V = 3.6V在满负载时达到95%以上。请注意，所有负载并联时，相当于500A电流进入单个V_O = 0.9V轨。在这些条件下实现的>95%的系统效率明显优于已发布的效率数据。高效率主要由两个因素驱动：一是四个负载串联，输出电流减少4倍，二是主VR_total将全功率提供给高4倍的 V_STACK电压(4 × V_O)，更高的 V_O通常会提高VR效率。

虽然这是一个使用现成器件制作的原型板，并且元件没有优化，但它仍然实现了很高的效率，这要部分归功于主VR_total中使用的耦合电感以及快速VR模块。

通常，给定的合理大小的耦合电感允许保持较低开关频率，从而降低开关损耗。这对于快速VR尤其重要，因为在负载平衡的情况下，这些VR不会处理很大功率，但仍存在开关损耗，需要予以降低。

图7和图8显示了两种不同能量交换器运行的重大差异——第一个V_O1轨和VR1输入电源轨上的电压纹波。图7和图8的条件相同： V_O4轨负载为 I_O = 50A，所有其他轨为零电流。因此，能量交换器从其他轨转移大量功率供 V_O4轨使用。单端能量交换器通过Vo1轨上的C_O寄生驱动很大的尖峰（这在[⁴]中显然也是一个问题），而差分能量交换器对V_O轨无影响，只有在慢得多的时间内产生很小的纹波——这与降压转换器电流（而非开关电容电路）有关。

最重要的影响是快速电压尖峰从单端能量交换器的>60mV（>6.6%的V_O = 0.9V）降低到差分情况的< 25mV（< 2.8%的V_O= 0.9V）。在后一种情况下，电压纹波根本没有高频尖峰，只有与降压转换器中的纹波电流相关的纹波。结果与仿真的预期趋势一致。电源轨上的快速尖峰可能对数字电路有害，缓解此问题很重要。V_O值预计会进一步降低，相同幅度的噪声对快速负载运行的影响更大。

使用图3中的差分能量交换器还实现了噪声改善，即在不同飞跨电容的开关事件之间进行相移。请注意，这对于图2中的单端电路是不可能的，所有电容必须同时切换。

图9显示了快速瞬变性能，a) 是在V_O1轨上加载100A，b) 是卸载100A。其他轨无负载。因此，虽然最初快速VR1提供全部100A，但25A平均电流来自VR-total，快速VR1仅向100A负载提供75A。查看V_O1轨上不断变化的压降，请注意VR_total需要大约10us才能提供25A平均电流，快速VR1压降成比例地降低。相应地，VR2、VR3和VR4从其电源轨中减去25A，并将该功率转移到能量交换器和VR1。能量交换器电压未经过调节。因此，快速VR1（黄色迹线）的输入轨建立需要超过10us的时间。

结论

本文介绍了实现全功能堆叠负载原型的方法，在相同V_O和总P_O条件下，其效率（在V_O = 0.9V和P_O = 450W时>95%）一般高于传统架构。原型板由现成元器件制成，针对客户规格进行优化可能会实现更高的性能。

堆叠负载功率输送的概念在提高效率方面显示出良好的前景，配电损耗显著降低，并且由于负载电压V_STACK提高，主VR以更高 的效率运行。另请注意，当负载密集布置时，负载电流的显著降低应该会进一步改善PCB损耗。换言之，实际客户应用的非常密集的大电流和低压负载对配电损耗提出了更大的挑战。因此，堆叠负载架构带来的改进高于某些原型板。

基于早期开发的能量交换器概念[¹]，针对浮空轨的差分能量交 换器显示出更好的负载电压轨噪声行为，因为任何负载条件下的任何快速电流和相关电压尖峰都被消除。

参考资料

¹ A. Ikriannikov和A. Stratakos，“用于优化串联光伏和机电设备的系统、方法、模块与能量交换器”，美国专利9,331,499，2011年4月提交。

² E. Candan、P. Shenoy和R. Pilawa-Podgurski，“适用于数据中心的采用隔离式差分功率转换的串联堆叠输电架构”，IEEE电力电子会议论文集，第31卷，第5期，2016年5月。

³ M. Popovich，“集成电路串联负载区的功率平衡器”，美国 专利10,985,652，2020年3月提交。

⁴K. Kshirsagar、D. Clavette、P. Kasturi和W. Huang，“通过垂直堆叠降低配电网络的功率损耗”，IEEE 2021应用电力电子会议行业分会，2021年6月。

关于作者