主板DC-DC模块损耗分析和实测效率对比

文摘   2024-12-25 10:16   天津  

作者:Palace eleven

转自:电源网星球号

《主板DC-DC模块损耗分析和实测效率对比》


对于服务器设备来说,虽然不像一些小终端那样追求极致的低功耗设计,但随着近年来CPU,内存和外设等性能的提升,整机功耗也在不断突破以往的限制,整机乃至机房的耗电量就成为重点被关注。

因为巨大的耗电量既造成能源的浪费,还会增加企业和个人的电费支出,而且散热也是一个令设计者头疼的问题。比如整机PSU转化效率为90%,进入主板后CPU供电模块的VRM效率为90%,那从整机输入侧到CPU核心电压这条路径上的电能转换效率只有90%*90%=81%!

可能这个数字不够直观,但拿目前主流服务器CPU TDP功耗大概300W举例,将会有19%*300W也就是57W浪费在VRM功率变换阶段,相当于一个桌面CPU的功耗!而这部分功耗最终会以热的形式传播到主板和空间,造成整机内部环境温度升高和器件温度升高,这是我们不想看到的。想避免或者减轻这部分浪费及其带来的负面影响,最有效的手段就是提高DCDC在功率变换过程中的转换效率。

图1. 同步BUCK降压电源原理示意图

上图中所示为DCDC的一般电路原理,一个同步降压转换器的功率损耗主要集中在HS FET,LS FET,Driver,输出电感,输入电容。其中,MOSFET的损耗占绝大部分,然后是输出电感,最后是输入电容Cin。下面简明扼要地绍下各个部分的损耗及其计算方法,篇幅所限,针对每部分损耗的详细的分析会在另外的文章中介绍。
(1)HSFET损耗构成及其计算
HSFET损耗由导通损耗,开通损耗和关断损耗,输出寄生电容充放电损耗等构成
  • 1) HSFET导通损耗估算公式:

  • 2) 开通&关断损耗估算公式:

  • 3) 寄生电容Coss损耗估算公式:
  • (或者Coss*Vin用Qoss代替)

  • 4) 二极管反向恢复损耗估算公式:

(2)LSFET损耗构成及其计算
LSFET损耗由导通损耗,体二极管损耗(死区续流)等构成
  • 1) LSFET导通损耗估算公式:

  • 2) 体二极管损耗(死区续流)计算公式:

  • 3) 寄生电容Coss损耗估算公式::

(或者Coss*Vin用Qoss代替)

(3)电感损耗构成及其计算
电感损耗主要包括线圈损耗和磁芯损耗。线圈损耗分为直流低频损耗和交流高频损耗,磁芯损耗分为涡流损耗,磁滞损耗,剩余损耗等部分。
  • 1) 电感线圈直流损耗估算公式:

  • 2) 电感磁芯损耗估算公式(一般以实测为准):

(4)驱动损耗构成及其计算
驱动HSFET和LSFET过程中产生的充电放电损耗,主要是交流损耗,分为HSFET驱动损耗和LSFET驱动损耗这两部分。
  • 1) LSFET驱动损耗估算公式:

  • 2) HSFET驱动损耗估算公式:

(5)VCC损耗构成及其计算
由于DCDC内部逻辑和驱动电路通常由LDO供电,因此这部分转换会产生一部分效率损失,同时还有自举电路也会产生一些消耗。
  • 1) HSFET驱动LDO损耗估算公式:

  • 2) LSFET驱动LDO损耗估算公式:

  • 3) 内部逻辑LDO估算公式:

(6)输入电容损耗构成及其计算
输入电容一般承受脉动的输入电流,虽然平均电流为0,但由于脉动成分较大,因此其RMS电流较大,同样会产生一部分功耗。
  • 1) 输入电容损耗估算公式:

分析过DCDC中各部分功耗,就可以计算其在不同负载条件下的效率,并绘制出效率曲线。下面是采用EXCEL表格计算的一个主板BUCK电路的效率数据,并且将效率曲线绘制出来。

图2. DCDC理论计算参数设置

图3. DCDC理论计算效率曲线

 为了验证以上计算结果的准确性,我们在实际主板找到参数完全相同的一个DCDC模块电路,然后进行效率实测。测试结果如下:

图4. DCDC实测效率曲线

为了更加直观的对比两个结果,将两份图标合并如下:

图5. DCDC实测效率曲线VS计算效率曲线

可以看到最终的实测效率和计算效率差距很小,不超过1%,轻载时候实测效率偏高,可能由于控制器内部做了一些轻载优化设计,重载时候实测效率低于计算,可能是由于负载增加后温升效应明显,导致线路阻抗和MOS的RDSon增加,效率变低。
以上就是这篇文章的内容,介绍了构成开关电源损耗的主要组成部分——MOSFET,输出电感,输入电容等。然后,根据工作过程中实际测试的效率结果,做出对比分析,直观的说明了DCDC或者BUCK电路的效率影响因素,并总结出提升主板电源效率的方法。本文篇幅有限,对理论计算部分只是浅尝辄止,后续文章会对DC-DC中各部分的损耗和计算做展开讲解分析~



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