隨著服務(wù)器（尤其是人工智能應(yīng)用）的負(fù)載電流不斷提高，而電軌電壓趨于下降，PCB上的傳導(dǎo)損耗變得越來越有害。通常認(rèn)為采用堆疊功率元件和處理功率差有可能解決該問題，特別是引入了能量交換器概念，僅用于處理功率差。

在此架構(gòu)中，觀測系統(tǒng)軌中的平均電流，而非串聯(lián)元件的最小電流。由于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(huì)減少損耗。請注意，能量交換器架構(gòu)中可以使用不同的轉(zhuǎn)換器，包括不同的電容電路。

為將此概念擴(kuò)展到需要積極瞬變管理的應(yīng)用，可添加穩(wěn)壓器(VR)以處理快速瞬態(tài)負(fù)載。單端能量交換器使用開關(guān)電容電路來實(shí)現(xiàn)。正如預(yù)期的那樣，當(dāng)處理相當(dāng)大的功率差時(shí)，單端能量交換器給負(fù)載Vo軌造成了顯著的噪聲污染。報(bào)告的實(shí)測系統(tǒng)在250W滿負(fù)載時(shí)的效率約為86%，如果改進(jìn)偏置電路，效率預(yù)計(jì)可提高約2%。

堆疊負(fù)載系統(tǒng)

本文提出一種堆疊負(fù)載原型，它在450W滿負(fù)載下可實(shí)現(xiàn)>95%的效率。能量交換器也有重要改進(jìn)。堆疊負(fù)載原型的框圖如圖1所示。主穩(wěn)壓器VR_total為堆疊負(fù)載提供全功率，主要目標(biāo)是效率盡可能高。四個(gè)快速穩(wěn)壓器負(fù)責(zé)每個(gè)相應(yīng)負(fù)載軌上的精確電壓調(diào)節(jié)和瞬態(tài)響應(yīng)。如果負(fù)載完美匹配，這些快速VR處理的就是零功率，只有在負(fù)載不匹配時(shí)，它們才會(huì)處理功率差?？焖賄R的熱設(shè)計(jì)電流比VR_total小得多，因?yàn)槲覀兗僭O(shè)最大負(fù)載差小于滿負(fù)載。然而，設(shè)計(jì)快速VR使其能夠承受每個(gè)負(fù)載的滿量程瞬變很重要，因?yàn)榧词顾胸?fù)載平均而言匹配得非常好，也很難指望所有負(fù)載的瞬變階躍完美匹配，而且較慢的VR_total調(diào)整輸出電流需要較長時(shí)間。

圖1. 堆疊負(fù)載原型框圖

能量交換器確?？焖賄R的所有輸入軌之間進(jìn)行功率交換。如果VR_total僅驅(qū)動(dòng)串聯(lián)的線性負(fù)載，則輸出電流由最低負(fù)載電流決定。但是，當(dāng)添加能量交換器時(shí)，理想情況下VR_total輸出電流可成為所有負(fù)載之間的平均電流。實(shí)際上，該電流略高，因?yàn)樗a(bǔ)償快速VR和能量交換器中的損耗。

圖2中的單端能量交換器存在一個(gè)問題——每個(gè)飛跨電容的返回電流必須經(jīng)過串聯(lián)負(fù)載的Co bulk電容。與降壓轉(zhuǎn)換器（VR_total和快速VR）的輸出電流相比，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仿真系統(tǒng)性能，圖1中負(fù)載RL4的電流階躍為50A。所有軌一般都有明顯的噪聲，當(dāng)能量交換器開始向VR_4的輸入移動(dòng)電荷時(shí)，噪聲會(huì)顯著增加。

此噪聲問題似乎在圖4b中得到解決，差分能量交換器不會(huì)強(qiáng)制任何電流經(jīng)過負(fù)載或負(fù)載軌的Co旁路。堆疊負(fù)載系統(tǒng)的原型實(shí)現(xiàn)如圖5所示。我們設(shè)計(jì)了兩個(gè)版本，其唯一區(qū)別在于能量交換器：一個(gè)設(shè)計(jì)使用圖2中的單端解決方案，另一個(gè)設(shè)計(jì)使用圖3中的差分交換器。

我們評估了能量交換器的兩種不同設(shè)計(jì)：最初考慮的單端能量交換器（如圖2所示）和全差分能量交換器（如圖3所示）。

圖2. 單端能量交換器EE1

圖3. 差分能量交換器EE2

圖4. 負(fù)載RL4中50A階躍期間的仿真性能：a) 來自圖2的單端能量交換器，b) 來自圖3的差分能量交換器

圖5. 堆疊負(fù)載系統(tǒng)原型

使用由可插拔模塊實(shí)現(xiàn)的快速瞬變負(fù)載來評估動(dòng)態(tài)性能（圖中僅顯示了一個(gè)用于快速瞬變的插拔模塊）。主板還有用于快速VR的連接器。這種布置支持輕松調(diào)整和更改快速VR模塊。

測量結(jié)果

圖6顯示了在平衡負(fù)載下運(yùn)行的整個(gè)系統(tǒng)的效率，包括來自12V輸入和控制的所有偏置電路。負(fù)載電壓在0.8V、0.9V和1.0V下進(jìn)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，并且在標(biāo)稱工作條件下，Vo = 4 x 0.9V = 3.6V在滿負(fù)載時(shí)達(dá)到95%以上。請注意，所有負(fù)載并聯(lián)時(shí)，相當(dāng)于500A電流進(jìn)入單個(gè)Vo = 0.9V軌。在這些條件下實(shí)現(xiàn)的>95%的系統(tǒng)效率明顯優(yōu)于已發(fā)布的效率數(shù)據(jù)。高效率主要由兩個(gè)因素驅(qū)動(dòng)：一是四個(gè)負(fù)載串聯(lián)，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 Vo)，更高的Vo通常會(huì)提高VR效率。

圖6. 采用兩種不同能量交換器（單端EE1和差分EE2）的實(shí)測系統(tǒng)針對不同Vo軌的系統(tǒng)效率

雖然這是一個(gè)使用現(xiàn)成器件制作的原型板，并且元件沒有優(yōu)化，但它仍然實(shí)現(xiàn)了很高的效率，這要部分歸功于主VR_total中使用的耦合電感以及快速VR模塊。

通常，給定的合理大小的耦合電感允許保持較低開關(guān)頻率，從而降低開關(guān)損耗。這對于快速VR尤其重要，因?yàn)樵谪?fù)載平衡的情況下，這些VR不會(huì)處理很大功率，但仍存在開關(guān)損耗，需要予以降低。圖7和圖8顯示了兩種不同能量交換器運(yùn)行的重大差異——第一個(gè)Vo1軌和VR1輸入電源軌上的電壓紋波。圖7和圖8的條件相同：Vo4軌負(fù)載為Io = 50A，所有其他軌為零電流。因此，能量交換器從其他軌轉(zhuǎn)移大量功率供Vo4軌使用。單端能量交換器通過Vo1軌上的Co寄生驅(qū)動(dòng)很大的尖峰，而差分能量交換器對Vo軌無影響，只有在慢得多的時(shí)間內(nèi)產(chǎn)生很小的紋波——這與降壓轉(zhuǎn)換器電流（而非開關(guān)電容電路）有關(guān)。

圖7. 使用圖2中單端能量交換器的系統(tǒng)的Vo1 (>60mV)和浮空Vin1 (>300mV)上的電壓紋波

圖8. 使用圖3中提出的差分能量交換器的系統(tǒng)的Vo1 (~25mV)和浮空Vin1 (~70mV)上的電壓紋波

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Vo = 0.9V）降低到差分情況的<25mV（<2.8%的Vo = 0.9V）。在后一種情況下，電壓紋波根本沒有高頻尖峰，只有與降壓轉(zhuǎn)換器中的紋波電流相關(guān)的紋波。結(jié)果與仿真的預(yù)期趨勢一致。電源軌上的快速尖峰可能對數(shù)字電路有害，緩解此問題很重要。Vo值預(yù)計(jì)會(huì)進(jìn)一步降低，相同幅度的噪聲對快速負(fù)載運(yùn)行的影響更大。

使用圖3中的差分能量交換器還實(shí)現(xiàn)了噪聲改善，即在不同飛跨電容的開關(guān)事件之間進(jìn)行相移。請注意，這對于圖2中的單端電路是不可能的，所有電容必須同時(shí)切換。

圖9顯示了快速瞬變性能，a) 是在Vo1軌上加載100A，b) 是卸載100A。其他軌無負(fù)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(fù)載提供75A。查看Vo1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(yīng)地，VR2、VR3和VR4從其電源軌中減去25A，并將該功率轉(zhuǎn)移到能量交換器和VR1。能量交換器電壓未經(jīng)過調(diào)節(jié)。因此，快速VR1（黃色跡線）的輸入軌建立需要超過10us的時(shí)間。

圖9. Vo1軌上的快速100A瞬變：a) 加載，b) 卸載

結(jié)論

本文介紹了實(shí)現(xiàn)全功能堆疊負(fù)載原型的方法，在相同Vo和總Po條件下，其效率（在Vo = 0.9V和Po = 450W時(shí)>95%）一般高于傳統(tǒng)架構(gòu)。原型板由現(xiàn)成元器件制成，針對客戶規(guī)格進(jìn)行優(yōu)化可能會(huì)實(shí)現(xiàn)更高的性能。堆疊負(fù)載功率輸送的概念在提高效率方面顯示出良好的前景，配電損耗顯著降低，并且由于負(fù)載電壓Vstack提高，主VR以更高的效率運(yùn)行。另請注意，當(dāng)負(fù)載密集布置時(shí)，負(fù)載電流的顯著降低應(yīng)該會(huì)進(jìn)一步改善PCB損耗。換言之，實(shí)際客戶應(yīng)用的非常密集的大電流和低壓負(fù)載對配電損耗提出了更大的挑戰(zhàn)。因此，堆疊負(fù)載架構(gòu)帶來的改進(jìn)高于某些原型板。基于早期開發(fā)的能量交換器概念，針對浮空軌的差分能量交換器顯示出更好的負(fù)載電壓軌噪聲行為，因?yàn)槿魏呜?fù)載條件下的任何快速電流和相關(guān)電壓尖峰都被消除。