在计算机服务器的设计中，密度已经成为一个至关重要的因素。摩尔定律使得将多个高性能的核心放在一个系统芯片(SoC)设备和支持逻辑上成为可能。高密度现场可编程门阵列(fpga)为应用加速和集成提供了进一步的可能性。

　　结果是在系统内的每个逻辑板上部署多个高性能的SoC组件，以提供巨大的计算潜力。然而，推动更高集成的过程技术的变化对服务器内部的电力分配产生了连锁反应。

　　处理器和FPGA设计团队已经将核心逻辑的供应电压降低到1伏特或更少，因为使用更高的电压会导致高速晶体管受损。1.8 V到3v范围内的电压仅用于内存和外围设备的I/O。这导致了目前需要向处理器和fpga交付更高的当前水平的情况，而不是10年前的情况。这一趋势排除了传统的权力转换架构的使用。高电流需求通常指的是使用更大的被动元件来处理高负荷和应力。然而，这些较大的组件与密集服务器的趋势相反，减少了用于电源转换电路的PCB空间的数量。因此，适合服务器的电源转换器的制造商已经改变了他们的设计方法。

　　一种趋势是开关频率的增加，以减少峰值电流的需求，这有助于保持无源元件的大小，如电容器的最小值，尽管需要谨慎的设计技术以减少开关损耗的影响。

　　今天，构建服务器最有效的方法是使用分布式power体系结构，其中一个或多个前端psu向一个中间的树和点负载(POL) DC/DC转换器提供电流。分布电压高于处理器和fpga所需的电压，以最大限度地减少电缆损耗。要做的一个关键决定是分配电压需要设置的级别。

　　将POL电源电压降低到1v或更少，使得转换器设计人员需要处理大量的输入/输出比率，即使使用的是常用的12 V的分布电压。支持整个机架低损失,制造商正在考虑两级转换,使用高电压24 V等36 V甚至48 V常用于电信开关,转换到12 V或5 V在黑板上,最后的POL V转换器提供低于所需的核心逻辑。然而，通过支持更大的比例，一些面向极性的产品可以支持更高的中间电压，而不需要二次转换阶段。

　　单一和两阶段选择的图像。

　　图1:中间功率分布的单、两阶段选择。

　　由Vicor公司制造的Picor PI33XX coolpower buck调节器系列采用高性能的零电压转换(ZVS)拓扑结构，提供高达98%的电力效率。ZVS拓扑的使用使高频操作能够最小化与传统的buck调节器相关的开关损耗，这些调节器使用了硬切换拓扑。PI33XX系列的高开关频率也降低了外部过滤元件的尺寸，提高了功率密度，同时使快速的动态响应和负载瞬变。PI33XX buck调节器可以转换输入电源，从8 V到36 V，输出电压从1 V到16 V，输出电流为10 A，功率可达120 W。

　　PI33XX系列产品与控制电路、功率半导体和支持组件在10 x 1 x 2.56 mm系统中高度集成(SiP)。通过使用单线电流共享而无需额外的组件，可以进一步提高功率输出。PI33XX系列的buck调节器只需要一个外部电感和最小的陶瓷电容器来输入和输出过滤，从而形成一个完整的高性能调节器。不需要频率补偿、参数设置或增量外部组件。宽工作温度范围为-40°C到125°C可以用于几乎任何环境。

　　Picor coolpower图像(单击全尺寸)

　　图2:像Picor coolpower这样的设备演示了高度集成。

　　为了在一个最小的输出电容的小包装上提供高效率，国际整流器的Gen3 SupIRBuck家庭采用了一个专有的调制器方案，当需要高频和高带宽的操作来提供良好的瞬态响应时，可以进行抖动和无噪声的操作。如12 A IR3894这样的产品可以将输入电压从1伏到21伏，并输出1 V的输出，下降到0.5 V，以支持最新的soc。开关频率可编程，从300 kHz到1.5 MHz的高灵活性。IR3894被包装在一个低配置的5 x 6毫米QFN。就像家庭中的其他产品一样，低姿态和良好的热性能允许使用没有散热片，这意味着设备可以安装在PCB的背面，为处理器和支持逻辑提供更多的空间。对于SupIRBuck家庭成员来说，IR要求在PCB空间中节省20%的空间，相比于其他的集成解决方案和60%的离散解决方案。

　　适用于5 V或12 V中间，来自Altera的Enpirion EN2392QI是用于高密度fpga的一系列电力转换器之一。Enpirion架构使用高速MOSFET技术支持一个兆赫转换频率。EN2392QI集成控制器、功率场效应管、补偿网络和电感器在一个11毫米x 10毫米包,总解决方案面积235平方毫米包括一旦外部组件,并提供了一个效率超过90%在宽负载范围——从3超过8。

　　在开关损耗开始控制变频器的总功率损耗之前，开关频率能增加多少是有限制的。在临界频率之外，效率将开始下降。多相或多相拓扑提供了解决这个问题的方法。在这种架构中，转换器将电路分为两个或多个阶段。每个阶段负责提供负载所需总功率的一小部分。添加阶段使得在不减少实际切换周期的情况下实现高频操作的承诺成为可能。有效的工作频率是有效的基本开关频率乘以相的数量。整体效果是改善瞬态响应和减少纹波，而不引起更高的基频运行问题。

　　通过将转换器(与Picor coolpower设备)连接在一起，可以使用多相操作来提高高切换速度的总功率水平。一个多相位兼容设备的例子是线性技术LTM4630，一个双输出独立的非隔离开关模式DC/DC电源。它可以提供两个18的输出，相对较少的外部输入和输出电容和设置组件。

　　该模块提供精确调节的输出电压，可通过外部电阻从0.6 VDC到1.8 VDC，超过4.5 V到15 V输入电压，将其与使用两级中间总线结构的服务器设计相结合。LTM4630具有双集成的恒频电流模式调节器和内置功率MOSFET器件，在500khz频率范围内进行优化。

　　通过在设备之间连接多个引脚，并将一个相位控制引脚连接到不同的级别上，在六个设备上最多可以进行12个阶段的级联，以便在彼此之间同时运行。由于服务器处理器通常会降低工作负载，在这些条件下，可以通过使用控制脚的可选择的突发模式操作或脉冲跳过操作来实现高效率。

　　线性技术LTM4630的图像。

　　图3:使用线性技术LTM4630的四相配置。

　　通过专注于先进的控制和新颖的SIP技术，电源转换器设计人员正在帮助增加计算机服务器的密度，并使更多的性能被压缩到一个小的空间中，而不会牺牲效率。进一步改进MOSFET技术和控制算法可能会看到进一步的效率和热的改进。