基于德州仪器数据中心应用的负载点解决方案

借助德州仪器品牌集成电路和参考设计，我们可以快速创建具有更高能效、密度和快速数据计算的机架式服务器主板设计，用于支持云计算以及人工智能和机器学习等新兴技术的发展。

设计目的和要求
数据中心架构中的下一代机架式服务器主板通常需要：

高效的直流/直流电源转换和保护。
更高的密度，从而满足标准机架和OCP机架尺寸要求。
需要先进信号处理功能的高带宽数据吞吐量。

数据中心对于业务连续性和可靠通信至关重要。德州仪器代理商提供了高性能电源管理解决方案，在为数据中心和机架服务器的处理器供电时，可实现高可用性和高效率。先进的处理器和平台（例如 Intel® Whitley 和 CedarIsland 平台）需要负载点解决方案通过 12V 标称输入总线满足内存、低功耗 CPU 电源轨以及 3.3V 和 5V 电源轨的要求。本文档重点介绍了直流/直流转换器，并描述其用于满足高性能处理器电源要求的特性。有关 Intel 处理器及其电源要求的具体信息，请登录到Intel资源与设计中心。若要获取与根据 Whitley 和 Cedar Island 平台VR13.HC VCCIN 规范专门设计多相控制器和功率级相关的信息，请与TI代理商联系。

1 推荐使用的直流/直流转换器 

表 1-1 重点介绍了适用于 Whitley 和 Cedar Island 应用并集成了 FET 的最新负载点直流/直流转换器；但是，根据 设计，它们也能满足多种市场应用的需求。这些器件旨在实现快速瞬态响应、高效率、良好的热性能和高输出电 压精度。请注意，从该图表中我们得知不同的控制架构被使用。固定频率控制架构将提供可预测的开关频率，并 可与外部时钟同步。在使用数据转换器和高速模拟电路的噪声敏感型应用中，适合采用电流模式和电压模式控 制。另一方面，与采用电压或电流模式控制的器件相比，采用恒定接通时间控制的器件对快速变化的负载具有更 快的瞬态响应，其原因在于没有内部时钟来控制开关频率。有几款器件搭载了 PMBus 或 I2C，具有串行电压识别 (SVID)、自适应电压调节和裕度调节功能。集成了带遥测功能的 PMBus 或 I2C 的器件会向主机报告电压、电流 和温度信息。 

表 1-1. 推荐使用的负载点转换器IOUT 范围 器件（恒定接通时间控制）器件（固定频率控制） 不带遥测功能的PMBus/I2C带遥测功能的 PMBus/I2C具有集成式 MOSFET 的直流/直流转换器≤2A TPS62148 TPS62912 不适用 不适用2A – 3A TPS62135 TPS62913 不适用 不适用3A – 6A TPS54J061 TPS543620 TPS542A50 TPS53820 (SVID)6A – 10A TPS54JA20 TPS54A24 TPS542A50 TPS546A24A10A – 15A TPS548A28 TPS542A52 TPS542A50 TPS546B24A15A – 20A TPS548B28 TPS543B20 TPS549B22 TPS546B24A20A – 25A TPS548B22 TPS543B20 TPS549B22 TPS546D24A25A – 40A TPS548D22 TPS543C20A TPS549D22 TPS546D24ADDR 存储器有源总线终端≤2A TPS51200 具有跟踪功能的灌电流/拉电流线性稳压器2A – 6A TPS53317A 具有跟踪功能的直流/直流转换器低压降稳压器1.5A TPS74801 线性稳压器

2 电压调节精度
随着半导体工艺技术的进步，处理器需要更严密的电压精度和更低的工作电压。处理器数据表中将电压容差规定
为百分比形式或以mV为单位的值，涉及整个工作温度范围内的直流、交流和纹波变化。设计人员还要考虑直流/
直流转换器使用的电阻分压器的容差、电路板的布线和走线损耗以及应用的变化（例如输入电压变化、温度摆幅
和负载的快速变化）。
应在数据表而不是首页中查看直流/直流转换器的反馈电压精度。表 2-1 所示为 TPS548A28（这是一款 2.7V 至
16V、15A 转换器）的稳压反馈电压或内部基准电压规格，并显示出在整个温度范围内的基准精度为 ±6mV 或
±1%。通过选择容差更严密的电阻器，可以提高总输出电压精度。如果需要更多的余量，设计人员可以选择 0.1%
或 0.5% 的电阻器，但其成本略高。额外的余量可确保以较小的大容量电容和旁路电容满足总计 ±3% 或 ±5% 的
输出电压变化。

表 2-1. TPS548A28 的反馈电压调节 参数 测试条件 最小值 典型值 最大值 单位 内部基准电压 TJ = –40°C 至 125°C，Vcc = 3V 594 600 606 mV TJ = 0°C 至 85°C， Vcc = 3V 597 600 603 mV 

布局限制、连接器和电路板密度要求通常会影响总输出电压精度。直流/直流转换器的遥感功能可补偿较长布线引 起的电压降，以便适应需要高精度输出电压的处理器。当输送较大的电流时，此功能特别有用，因为电压降在整 个直流误差中的占比很大。图 2-1 所示为采用遥感功能并使用电压反馈电阻器对输出电压进行编程的 TPS543B20。图 2-2 所示为采用遥感功能但没有电压反馈电阻器的 TPS543B20，此时由 VSEL 引脚选择基准电 压。RSP 和 RSN 引脚是真差分遥感放大器的极高阻抗输入端子。 

3 负载瞬态响应负载在企业机架服务器中的分布会发生巨大变化，因此考虑交流瞬态性能非常重要。选择具有快速瞬态响应能力并采用非线性控制技术（例如恒定接通时间或 D-CAP3™）的直流/直流转换器，即可实现快速瞬态响应并具有最小输出电容。常见的 D-CAP3 转换器设计在确定输出电容的值时要考虑三个主要因素：瞬态（包括负载阶跃和负载阶跃的压摆率）、输出纹波和稳定性。在负载瞬变很严格的应用中，输出电容主要取决于瞬变要求。如今，在某些高端、高性能应用特定集成电路 (ASIC) 和现场可编程门阵列 (FPGA) 设计中，严格满足要求的纹波变得越来越重要。LC 输出功率级必须在设计上满足纹波标准。基于 D-CAP3 的设计就小信号稳定性而言对电容的要求最低。此要求可防止所有 D-CAP 调制器出现次谐波多脉冲行为。图 3-1 展示了 D-CAP3 控制模式在发生负载瞬态事件时如何工作。《计算输出电容以满足基于 D-CAPx™ 调制器的集成 POL 转换器设计的瞬态和纹波要求》应用报告说明了如何使用 D-CAP3 控制模式设计 1V 输出的输出滤波器，以便适应 ±10mV 的纹波要求和 ±30mV 的瞬态电压偏差。

4 高效率和热性能

机架服务器采用具有许多 PCB 层的电路板，具体情况受限于外形因素。机架服务器设计用于狭窄的空间，因此在选择直流/直流转换器时，请考虑散热环境和可用气流。机架服务器内部的环境温度通常在 60°C 至 70°C 之间，因为通常可以使用强制气流。较高的电路板温度会降低可靠性，而较高电流的直流/直流转换器会极大地影响总体热预算。图 4-1 图 4-2 所示为 TPS543C20A 的安全运行曲线，而 展示了其功率损耗图。TPS543C20A 直流/直流转换器可在环境温度为 75°C 且无气流的情况下提供 40A 和 1V 输出。在 25A 和 1V 输出下，整个解决方案的功率耗散小于 3W，相当于在以 500kHz 频率进行开关时的效率约为 90%。根据 6 层、每层 2 盎司覆铜和 2.75 英寸 x3 英寸电路板尺寸的条件，TPS543C20A 测得的结至环境热阻为 12°C/W，这证明了其低热阻特性。但是，半导体和 IC 封装存在许多热指标，范围可从 RθJA 到 ψJT。通常，设计人员会误用这些热指标来估算系统内的结温。最终，热性能取决于电路板布局以及对以 JEDEC 为参照的标准热数字的使用。

5 具有可调软启动功能的线性稳压器
对于低电流轨，具有用户可编程软启动功能的线性稳压器可通过减少启动时的容性浪涌电流来减小输入电源上的
应力，特别是在存在高容性负载或者是处理器需要多个旁路电容器的情况下。TPS74801 可调线性稳压器提供了
单调（非负斜率）软启动功能，非常适合为许多不同类型的处理器供电。图 5-1 中的启动波形显示了启动时间在
几个软启动电容值之间的变化。

诸如数据中心内的 Cedar Island 和 Whitley 平台之类的高性能处理器需要直流/直流转换器，这些转换器必须提供更高的输出电压精度、快速瞬态响应、更少的外部组件数量、高效率和出色的热性能。TI代理商提供高性能负载点解决方案来满足这些要求。