姚信安，宋 飛，胡世平

（1.湖南大學(xué)電氣與信息工程學(xué)院，湖南 長沙 410082）；2.國防科學(xué)技術(shù)大學(xué)計算機(jī)學(xué)院，湖南 長沙 410073）

1 引言

高性能計算機(jī)是衡量一個國家科技創(chuàng)新能力和綜合國力的重要標(biāo)志，主要應(yīng)用于石油勘探、高端裝備制造、生物醫(yī)藥、動漫設(shè)計、新能源、新材料、工程設(shè)計與仿真、氣象預(yù)報、金融風(fēng)險分析等領(lǐng)域。

高性能計算機(jī)系統(tǒng)對供電電源的要求非?？量?。單板供電電壓種類多達(dá)十幾種，最高電壓穩(wěn)定度為±1%，最低輸出紋波要求為10mV，最大動態(tài)響應(yīng)能力高達(dá)數(shù)百安培每微秒，所有插件板均要求能夠熱插拔和熱更換，可靠性要求非常高。針對這些特殊要求，本文采用12V母線直流分布式供電系統(tǒng)設(shè)計了某高性能計算機(jī)的全部電源。詳細(xì)介紹了計算機(jī)柜的總體設(shè)計方案和其中最關(guān)鍵的計算主板電源設(shè)計，并對計算主板上的關(guān)鍵電源電路參數(shù)進(jìn)行了具體的計算和分析。

2 總體設(shè)計

某高性能計算機(jī)由N 個機(jī)柜組成，其中包含計算機(jī)柜和互連通信機(jī)柜。在電氣上每個機(jī)柜相互獨(dú)立，機(jī)柜之間采用光纖實現(xiàn)數(shù)據(jù)通信?；ミB通信機(jī)柜相對比較簡單，本文重點(diǎn)介紹計算機(jī)柜的電源設(shè)計。

圖1示出了單個計算機(jī)柜的電源設(shè)計框圖。

Figure 1 Block diagram of power supply for computing cabinet圖1 計算機(jī)柜電源設(shè)計框圖

每個計算機(jī)柜分為四個獨(dú)立的單元，采用12 V 母線直流分布式供電方式。交流380V 電壓首先進(jìn)入到位于機(jī)柜側(cè)壁的電源分配單元（PDU）中，PDU 上有數(shù)十個電壓輸出端口，通過電纜連接到一次電源模塊的輸入端口中。一次電源模塊的輸出電壓為直流12V，八臺一次電源模塊全部插在背板上，通過背板實現(xiàn)并聯(lián)冗余。

每塊背板上插有16塊計算主板、一塊互連通信板、一塊監(jiān)控板、一塊以太網(wǎng)絡(luò)板及六個風(fēng)機(jī)冷卻模塊。所有插件板／模塊均采用雙面對插方式，分布在背板兩面，再通過插座從背板上取電和進(jìn)行數(shù)據(jù)通信。每塊背板上流過的電流高達(dá)1 000多安培，這對于背板的設(shè)計和制造都是很大的挑戰(zhàn)。

12V 電壓進(jìn)入到各插件板后，首先經(jīng)過熱插拔和濾波電路，然后通過放置在板上的DC－DC 變換器變換成各種直流低電壓，供給負(fù)載。全部插件板（含風(fēng)機(jī)模塊）都支持帶電熱插拔，為系統(tǒng)維護(hù)提供了極大的方便。

3 計算主板電源設(shè)計

計算主板由多個CPU、多條內(nèi)存、多個專用集成電路等組成，每塊板功耗約800瓦，需十幾種工作電壓，單路最大工作電流為100A，最高動態(tài)響應(yīng)能力為300A／μs。圖2給出了計算主板的電源設(shè)計框圖。

Figure 2 Block diagram of power supply for motherboard圖2 計算主板電源框圖

直流12V 主電壓和12V－STBY 待機(jī)電壓從背板通過插座進(jìn)入到計算主板中，經(jīng)過熱插拔和濾波電路之后，送入到各個DC－DC變換器中，變換成各種不同輸出電壓、電流和動態(tài)響應(yīng)能力的直流低電壓，供給CPU、內(nèi)存條、IOH、ICH10等芯片。

電源工作原理如下：12V－STBY 待機(jī)電壓首先建立，產(chǎn)生5V－STBY 待機(jī)電壓。5V－STBY 電壓再通過LDO 線性穩(wěn)壓器變成3.3V－STBY、1.8V－STBY、1.1V－STBY 待機(jī)電壓，主板上的控制電路開始工作，進(jìn)行初始化，并等待系統(tǒng)加電命令。當(dāng)接收到系統(tǒng)加電命令時，控制電路按照預(yù)定的時序發(fā)出加電命令，逐步將各種DC－DC 變換器加電。當(dāng)各種電壓都正常后，產(chǎn)生系統(tǒng)電壓正常信號和復(fù)位信號，使CPU、DIMM 條等開始正常工作，從而引導(dǎo)BIOS和操作系統(tǒng)啟動。

計算主板加電和復(fù)位時序框圖如圖3 所示。由于時序非常復(fù)雜，采用了一片可編程CPLD 芯片來完成加電和復(fù)位功能。

Figure 3 Power－on and reset sequencing of motherboard圖3 計算主板加電和復(fù)位時序

計算主板的各種DC－DC 變換器設(shè)計，根據(jù)供電電流大小及動態(tài)響應(yīng)能力要求，分別采用了單相、兩相和多相同步整流buck變換器來實現(xiàn)電壓變換。其中，處理器的最大供電電流為100A，最高動態(tài)響應(yīng)能力要求為300A／μs，需按照Intel VRM11.1標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行供電［1］。

下面重點(diǎn)介紹處理器的電源設(shè)計電路。

4 處理器電源設(shè)計

處理器的電源通常稱為電壓調(diào)節(jié)模塊VRM（Voltage Regulator Module）。

根據(jù)VRM11.1供電標(biāo)準(zhǔn)，采用了六相交錯并聯(lián)同步整流buck 變換器，電源框圖如圖4 所示。其中，Vin為輸入電壓，S1和S2組 成 第一相，S3和S4組成第二相，S11和S12組成第六相。S1和S2、S3和S4、S11和S12的開關(guān)時序為互補(bǔ)關(guān)系，S1、S3、S5、S7、S9、S11是各相的主開關(guān)管，每周期內(nèi)相差60度導(dǎo)通；S2、S4、S6、S8、S10、S12為各相的同步整流管。濾波電感Lo1＝Lo2＝…＝Lo6，Co為輸出濾波電容。

4.1 回路增益設(shè)計

Figure 4 Block diagram of power supply for processor圖4 處理器電源框圖

對于六相交錯并聯(lián)同步整流變換器來說，每一相的輸入電壓相同，又共享同一組補(bǔ)償回路，因此其小信號模型可以等效成一個等效電感等于每相電感的1／6、等效開關(guān)頻率等于每相開關(guān)頻率6倍的單相同步整流buck變換器［2］。

單相同步整流buck 變換器的回路增益函數(shù)為：

其中，Go（s）＝Gm（s）Gvd（s），H（s）為未加補(bǔ)償網(wǎng)絡(luò)Gc（s）的回路增益函數(shù)，稱為原始回路增益函數(shù)。Gm（s）是PWM 脈寬調(diào)制器的傳遞函數(shù)，等于調(diào)制器中鋸齒波幅值Vm的倒數(shù)。Gvd（s）是輸出電壓對控制變量的傳遞函數(shù)，H（s）表示反饋分壓網(wǎng)絡(luò)的傳遞函數(shù)，等于1。

原始回路增益函數(shù)Go（s）為：

其中，VO表示輸出電壓，Vm是鋸齒波幅值，D 是占空比，Lo是等效輸出電感，Co為輸出濾波電容。

圖4中，Vin＝12V，Vout＝1.1V，輸出電流為100A，Lo1＝Lo2＝…＝Lo6＝300nH，輸出濾波電容為8 200μF，開關(guān)頻率為250KHz，負(fù)載電阻為11mΩ。根據(jù)這些參數(shù)可求出Go（s）為：

用MATLAB 軟件繪制出Go（s）的Bode圖，如圖5所示。從圖5中可以看出，相位裕度Pm只有5.29°，系統(tǒng)雖然是穩(wěn)定的，但會有較大的超調(diào)量和調(diào)節(jié)時間。通常需選擇相位裕度在45°左右，增益裕度Gm在10dB左右。

Figure 5 Bode plot of original loop gain圖5 原始回路增益函數(shù)波特圖

4.2 補(bǔ)償網(wǎng)絡(luò)設(shè)計

由于原始回路增益函數(shù)Go（s）不能滿足DCDC變換器靜態(tài)和動態(tài)特性的要求，因此需加入補(bǔ)償網(wǎng)絡(luò)Gc（s）。補(bǔ)償網(wǎng)絡(luò)只是變換器中一個很小的部分，但對變換器的靜態(tài)和動態(tài)特性卻非常重要，它會影響到DC－DC變換器的輸出穩(wěn)壓精度、電壓調(diào)整率、頻帶寬度以及瞬態(tài)響應(yīng)［3］。

圖6是C 型補(bǔ)償網(wǎng)絡(luò)電路，該補(bǔ)償網(wǎng)絡(luò)可以提供兩個零點(diǎn)和三個極點(diǎn)來拓展回路增益的帶寬和增加相位裕度。

Figure 6 Compensation network of C－type圖6 C型補(bǔ)償網(wǎng)絡(luò)電路

補(bǔ)償網(wǎng)絡(luò)的傳遞函數(shù)Gc（s）為：

零點(diǎn)為：

極點(diǎn)為：

原始回路增益函數(shù)Go（s）有兩個相近的極點(diǎn)fp1＿Go＝fp2＿Go＝8636Hz；補(bǔ)償網(wǎng)絡(luò)可以提供兩個零點(diǎn)fz1、fz2和三個極點(diǎn)fp1、fp2、fp3。下面通過分析它們之間的關(guān)系來確定補(bǔ)償網(wǎng)絡(luò)的參數(shù)。

（1）首先選擇補(bǔ)償后的增益交越頻率fg。fg理論上可設(shè)定為開關(guān)頻率fs的1／2，但是實際上考慮抑制輸出開關(guān)紋波，fg一般取為開關(guān)頻率的1／5。

（2）原始回路增益函數(shù)有兩個極點(diǎn)，可將補(bǔ)償網(wǎng)絡(luò)Gc（s）的兩個零點(diǎn)設(shè)計為原始回路函數(shù)極點(diǎn)頻率的1／2，即：

（3）原始回路函數(shù)沒有零點(diǎn)，可將補(bǔ)償網(wǎng)絡(luò)的兩個極點(diǎn)fp2、fp3設(shè)定為fp2＝fp3＝fs，以減小輸出高頻開關(guān)紋波。

按照以上公式設(shè)計的補(bǔ)償網(wǎng)絡(luò)各補(bǔ)償元件參數(shù)如表1所示。

Table 1 Parameters of compensation network表1 補(bǔ)償網(wǎng)絡(luò)各元件參數(shù)

根據(jù)表1的參數(shù)可求出Gc（s），進(jìn)而可求出回路增益函數(shù)Tv（s）為：

波特圖如圖7所示。從圖7中可知，補(bǔ)償后回路增益的相位裕度Pm在51.5°左右，增益裕度Gm為31.4dB左右，滿足系統(tǒng)穩(wěn)定性要求。

Figure 7 Bode plot of compensated loop gain圖7 補(bǔ)償后回路增益函數(shù)波特圖

4.3 輸出濾波器設(shè)計

輸出濾波器電容的種類和電容值大小可以改變DC－DC 變換器從控制到輸出的傳遞函數(shù)，從而對電路的穩(wěn)定性產(chǎn)生不利的影響［4］。

根據(jù)VRM11.1設(shè)計指導(dǎo)，處理器的目標(biāo)阻抗為0.8mΩ，即必須保證在任何區(qū)段內(nèi)電源的輸出阻抗小于0.8mΩ，如圖8中直線e所示。

Figure 8 Output impedance characteristic圖8 輸出阻抗曲線圖

（1）低頻段，即從0Hz到VRM 帶寬的區(qū)段，阻抗由VRM 的反饋補(bǔ)償回路來保證。VRM 帶寬可設(shè)為大容量電容的阻抗開始小于目標(biāo)阻抗時的頻率。

（2）中頻段，即VRM 帶寬到處理器插座電感開始上升的區(qū)段，阻抗由大容量電容、陶瓷電容和印制板的寄生參數(shù)來確定。陶瓷電容的數(shù)量根據(jù)VRM11.1推薦的電容種類和數(shù)量進(jìn)行放置。

（3）高頻段，阻抗由處理器插座電感和處理器封裝來控制。

對于VRM 來說，必須保證低頻和中頻的阻抗低于目標(biāo)阻抗。

綜合考慮輸出阻抗、動態(tài)響應(yīng)能力、電壓超調(diào)、印制板層數(shù)等因素，輸出濾波電容設(shè)計如圖9 所示。

Figure 9 Output filter capacitors圖9 輸出濾波電容

圖9 中，大容量電容由10 個680μF 的OSCON 電容并聯(lián)，單個電容的串聯(lián)等效電阻ESR 為7mΩ，總ESR 為0.7mΩ；高頻電容為12個0805封裝的22μF 陶瓷電容并聯(lián)，單個電容的ESR 為5mΩ，總ESR 為0.4mΩ；另外還有26個1206封裝的47μF陶瓷電容放在處理器插座中間，總ESR為0.15mΩ。

輸出電容的阻抗曲線圖如圖8所示，曲線c為電容的合成阻抗曲線。從阻抗曲線中可以看出，在中頻段，大容量電容、陶瓷電容的合成阻抗小于目標(biāo)輸出阻抗，滿足設(shè)計要求。

5 實驗結(jié)果

根據(jù)以上設(shè)計思路，采用ISL6336A 為控制芯片，設(shè)計了處理器電壓調(diào)節(jié)模塊。對電壓調(diào)節(jié)模塊的輸出電壓紋波、動態(tài)響應(yīng)能力、電壓調(diào)整率、負(fù)載調(diào)整率等技術(shù)指標(biāo)進(jìn)行了測量，結(jié)果完全滿足處理器供電要求。圖10所示分別為電壓調(diào)節(jié)模塊的輸出電壓紋波和動態(tài)響應(yīng)波形。

Figure 10 Measured waveforms of voltage regulator module圖10 實測電壓調(diào)節(jié)模塊波形

對計算主板上其它十幾種電源的技術(shù)指標(biāo)也進(jìn)行了測量，結(jié)果完全滿足主板供電要求。

該主板已經(jīng)大量應(yīng)用于“天河一號”等高性能計算機(jī)系統(tǒng)中，整機(jī)性能處于國際領(lǐng)先水平。

6 結(jié)束語

本文采用12V 母線直流分布式供電方式，成功地實現(xiàn)了某高性能計算機(jī)系統(tǒng)的電源。文中詳細(xì)介紹了計算機(jī)柜和計算主板的電源設(shè)計框圖、工作原理和加電／復(fù)位時序設(shè)計等，并重點(diǎn)介紹了主板中處理器電源的設(shè)計方法，對其中的回路增益、補(bǔ)償網(wǎng)絡(luò)、輸出濾波器等參數(shù)設(shè)計給出了具體的計算公式。應(yīng)用結(jié)果表明，該電源完全滿足高性能計算機(jī)系統(tǒng)的供電要求。

［1］Intel.Voltage regulator module（VRM）and enterprise voltage regulator－down（EVRD）11.1design guidelines［EB／OL］.［2009－08－01］.http：／／www.intel.com／Assets／PDF／designguide／397898.pdf.

［2］Wong Pit－Leong.Performance improvements of multi－channel interleaving voltage regulator modules with integrated coupling inductors［D］.Blacksburg：Virginia Tech，2008.

［3］Xu De－h(huán)ong.Modeling and control of power electronics system［M］.Beijing：China Machine Press，2006.（in Chinese）

［4］Brown M.Power supply cookbook［M］.Translated by Xu De－h(huán)ong，Shen Xu，Yang Cheng－lin，et al.Beijing：China Machine Press，2004.（in Chinese）

附中文參考文獻(xiàn)：

［3］徐德鴻.電力電子系統(tǒng)建模與控制［M］.北京：機(jī)械工業(yè)出版社，2006.

［4］Brown M.開關(guān)電源設(shè)計指南［M］.徐德鴻，沈旭，楊成林，等譯.北京：機(jī)械工業(yè)出版社，2004.