荣湃产品助力数据中心服务器电源效率的提升
数据中心发展前景
近年来，公有云、私有云的市场快速增长，数据中心大量建设，对服务器电源的性能提出更高要求，服务器电源逐渐向高功率密度、高可靠性、高智能化、远程控制、实时监控、并机等方面发展。对数据中心进行电源管理，在不增加电路板尺寸的前提下提高系统效率，提高计算性能，降低设备的冷却成本等，这些都对服务器电源提出了更高的要求。
传统数据中心服务器
电源apfc方案
传统的有源功率因数校正电路（apfc）由二极管桥式整流电路加boost升压变换器构成，如图一所示。这种apfc电路可得到较高的功率因数，满足谐波标准的要求。图一中，在任一时刻电路中总有三个半导体器件处于工作状态。系统的通态损耗由两部分组成：包括前端整流桥中两个二极管导通压降带来的损耗及后级boost变换器中功率开关管或者续流二极管的导通损耗。
图一：apfc线路图
传统数据中心服务器
电源pfc改进方案
但是，随着变换器功率密度和开关频率的提高，系统的通态损耗显著增加，整体效率降低。针对这一问题，一种同样具有pfc功能且通态损耗低的图腾柱pfc拓扑就应运而生。
典型采用图腾柱pfc的ac-dc整流器含两个交错高频桥臂的电路图如图二,以及dc-dc部分采用半桥llc拓扑配合副边采用中心抽头变压器(12v系统)（如图三）。
图二：图腾柱pfc拓扑电路图
图三：llc架构示意图
图腾柱pfc中的
功率器件的选择
众所周知，传统高压mosfet由于存在体二极管，会在硬开关模式下导致比较大的反向恢复损耗，同时会产生较大的关断振荡电压。这就导致传统的图腾柱pfc多运行于crm模式，因此限制了其系统功率在较低的级别，同时由于开关损耗问题不能处于较高运行频率下。
但随着第三代宽禁带器件（如氮化镓gan，及sic碳化硅）的发展，通过在图腾柱pfc系统中引入两个高频宽禁带器件替换原有的mosfet组成的s1,s2快管（如图二）。由于宽禁带器件本身开关损耗较小，且体二极管具有接近于0的反向恢复电荷qrr，则可以使他们很好的运行于ccm硬开关模式下，同时可以运行在较高的频率，使得其应用范围得到了较大的发展。
如下图四是基于宽禁带器件的图腾柱pfc的基本电路功率级结构，其中，gan-fet q3和q4和电感构成了一个同步整流boost电路，工作于系统开关频率f_pwm下，q1和q2是普通的mosfet，工作于电网频率f_line下，并联在q1,q2上的肖特基二极管用于进一步改善系统效率。
图四：图腾柱pfc拓扑示意图
图腾柱pfc控制中
存在的难点
虽然gan、sic_mosfet等第三代半导体的引入,能解决由反向恢复带来的一系列问题，但是图腾柱pfc的控制依然存在几个难点，下面对此作简单的介绍。
a: ac电压过零点尖峰电流
在ccm图腾柱pfc电路中，一个典型的控制问题是ac电压过零点切换，这会导致较大的电流尖峰。其本质是对应mosfet的寄生输出电容coss放电。寄生输出电容条件下，ac过零时，主开关管和续流开关管的突然切换，这会导致增加thd值，且使得pf值变差。
如图五，当ac电压处在正半周期时，且接近ac过零点时，q4为主开关，由于输入电压很小，所以其占空比会接近100%（q3占空比接近0），而q2在这半周期一直导通。当ac电压过渡到负半周期时，q3为主开关，由于输入电压很小，所以其占空比接近为100%（q4占空比接近0），此阶段q1会由关断变为导通。则当q3一导通时，q1的寄生输出电容coss会很快放电，产生反向电感电流，因此会造成很大的过零切换的电流尖峰。当ac电压处在负半周期时，工作过程可以类推。
一般来说，推荐如下的ac过零点驱动方式，如下图五所示。
图五：ac过零点处的pwm时序处理
从ac为正向ac为负转变时，系统检测到这一窗口后，关闭q1-q4，当检测到ac可靠过零后，主开关管q3开始以很小的占空比开始软起动，在软起动过程中，续流管q4并未开启，而是通过体二极管续流，此阶段中，普通mosfet q1寄生输出电容coss在主开关导通时逐渐放电，从而最终打开q1栅级，接着对续流管q3进行软起动，避免在续流管占空比大时造成尖峰电流。
经过这样处理栅级驱动时序后，则可以很好的减小过零点造成的电流尖峰，提高pf值，降低thd。
b: 如何可靠的检测ac过零点
一般情况下，如果由于噪声使得控制器检测到ac过零，例如从ac正到ac负，则q3占空比从0突然就变到100%，此时由于事实上还处在ac正半周期，所以q2还在导通状态，所以这会导致输出电压vout经过电感直接短路到地电压（gnd），这势必会在电感上产生很大的尖峰电流，从而可能导致功率器件烧坏。
正确推荐的方式是，如图五所示，当系统检测到接近ac过零时（例如ac从正到负），就关闭所有控制开关，从而阻止了输出电容电压放电，当控制器真正多次检测到ac过零后，系统开始对主开关q3进行软起动。
这样就可以避免由于噪声干扰导致的错误判断ac过零点，从而提前开启主开关，从而由于输出电容反向放电，从而产生很大的尖峰电流的异常发生。
c: 软起动时续流管状态
当软启动时，系统控制环路正在逐步建立，主开关占空比很小，因为续流管和主开关为互补模式，所以其占空比1-d很大，如果在主开关做软起动时，也同时开启续流管，且相应慢管也处于开通状态时，则会产生输出电容放电。所以，我们如图五，在主开关软起动时，将续流管开关设置为关闭状态，经过若干周期后，主开关的占空比也变大了，续流管也开始软起动，因此可以避免续流管大占空比1-d导致输出电容电压放电。
d: 输入电压快速掉电造成的问题
当图腾柱pfc电路正在运行中，输入电压突然快速掉电，此时由于系统不能立即检测到电压掉电这个事情发生，因此会造成一系列的问题。举一个最差的情况，当输入电压处在峰值时，此时主开关占空比最小，而续流管占空比1-d最大，当电压下掉时（以ac为正时为例），输出电容电压通过续流管q3向电感侧进行反向放电，注意此时q2是一直导通的，所以这个放电会产生一些严重的问题。首先，输出电压放电会导致无法满足hold-up时间要求，其次，反向放电会造成较大的尖峰电流。
所以，在控制上需要对输入电压下掉进行快速检测，或者通过对反向电流进行检测，从而快速抓取这一过程，并及时做出响应。
荣湃系列产品在
服务器电源中的典型应用
图腾柱pfc和llc变换技术在服务器电源上的广泛应用，对提高系统效率，提高功率密度，降低系统散热成本都能带来很大的优势。但在实际应用中特别是图腾柱pfc也会带来几个不容忽视的问题。基于这些问题，荣湃半导体公司推出一系列产品方案来应对解决。
针对图腾柱pfc和llc dc-dc变换工作中电流精准检测的隔离放大器系列pai5500,针对图腾柱pfc和llc dc-dc变换中功率器件驱动需要的低延时，大驱动能力，推出的隔离驱动pai8233/pai8211/pai6581系列。针对mcu与外界通信的数字隔离器系列。针对与外部隔离can通讯推出的pai2350系列等。
图六：图腾柱pfc
图七: llc拓扑电路
荣湃半导体
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01pai2350隔离can收发器
pai2350是一款高速can收发器，可提供控制器局域网（can）协议控制器和物理两线can总线之间的接口，可以支持至少110个can节点。pai2350实现iso 11898-2：2016和sae j2284-1至sae j2284-5中定义的can物理层。在can fd快速相位网络中可实现可靠的通信，数据速率高达5 mbit/s。pai2350提供热保护和传输数据显性超时功能。
02pai8233高可靠性
隔离式双通道栅极驱动器
pai8233是一系列高可靠性的隔离式双通道栅极驱动器ic,可以设计为驱动高达5mhz开关频率的功率晶体管。每个输出可以实现低至19ns传播延迟和5ns的最大延迟匹配，来提供最大4a/8a的拉灌电流能力。pai8233 在soic-16和soic-14宽体封装中提供5000vrms隔离。100v/μs的最小共模瞬变抗扰度(cmti)提高系统鲁棒性。该驱动器的最大工作电源电压为25v，而输入侧则接受3v至5.5v的电源电压。所有电源电压引脚均支持欠压锁定(uvlo)保护。pai8233 具有所有这些出色的功能,适用于高可靠性、高功率密度和高效率的开关电源系统。
03pai8211
单通道隔离式栅极驱动器
pai8211是单通道隔离式栅极驱动器，旨在驱动许多应用中的igbt，功率mosfet和sic mosfet。它提供分立输出，分别控制上升和下降时间，并可以提供最大6a/6a的拉灌电流能力。pai8211提供sop8（150 mil）封装，根据ul1577可支持3750vrms隔离，150kv/μs的最小共模瞬变抗扰度（cmti），支持系统鲁棒性。该驱动器的最大工作电源电压为33v，而输入侧则接受2.5v至5.5v的电源电压。所有电源电压引脚均支持欠压锁定（uvlo）保护。pai8211具有高驱动电流，出色的耐用性，宽电源电压范围和快速信号传播的特性，适用于高可靠性、高功率密度和高效率的开关电源系统。
04pai6581光耦兼容的
单通道隔离式栅极驱动器
pai6581是单通道隔离式栅极驱动器，与流行的光耦合栅极驱动器引脚兼容。它可以提供5a的峰值拉/灌电流。支持140kv/μs的最小共模瞬态免疫（cmti），确保了系统的鲁棒性。驱动器的最大电源电压为30v。当输入电路应用在兼容光耦的系统中，与光耦式栅极驱动器相比具有性能优势，包括更好的可靠性，更高的工作温度，更短传播延迟和较小的脉宽失真。
05pai5500隔离电流放大器
pai5500是输出与输入基于idivider电容隔离技术的隔离电流放大器。此系列产品具有线性差分输入信号±250mv范围。故障安全功能包括输入共模过压检测和vdd1缺失检测，简化了系统级设计和诊断。pai5500的固定增益为8.2，并提供差分模拟输出。低失调和增益漂移确保了整个温度范围内的精度。高共模瞬变抗扰度可确保即使在存在大功率开关的情况下（例如在电机控制应用中），该设备也能够提供准确而可靠的测量结果。
π12x/π13x/π14x/π16x是高性价比高可靠性的双/三/四/六通道数字隔离器。
π12x/π13x/π14x/π16x是高性价比高可靠性的双/三/四/六通道数字隔离器此系列产品已通过ul1577安全认证，支持多种绝缘耐压（3.75kvrms，5kvrms），同时具有低功耗，高电磁抗扰度和低辐射的特性。产品的数据速率高达200mbps，共模瞬变抗扰度（cmti）高达150kv/us。在输入缺失时默认输出电平配置，且提供数字通道方向配置。此系列器件的宽电源电压范围支持其与大多数数字接口直接连接，易进行电平转换。优异的系统级别emc性能提高了使用的可靠性和稳定性。器件的msl等级为2，并可以提供aec-q100（1级）选项。
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图二：图腾柱pfc拓扑电路图
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在ccm图腾柱pfc电路中，一个典型的控制问题是ac电压过零点切换，这会导致较大的电流尖峰。其本质是对应mosfet的寄生输出电容coss放电。寄生输出电容条件下，ac过零时，主开关管和续流开关管的突然切换，这会导致增加thd值，且使得pf值变差。
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