對(duì)于配電網(wǎng)絡(luò)中的電源系統(tǒng)，如何提高48V的配電性能

（文章來源：電子工程世界）

配電網(wǎng)絡(luò)(PDN)是所有電源系統(tǒng)的主干部分。隨著系統(tǒng)電源需求的不斷上升，傳統(tǒng)PDN承受著提供足夠性能的巨大壓力。對(duì)于功耗和熱管理而言，主要有兩種方法可以改善PDN對(duì)電源系統(tǒng)性能的影響。一是使用更大線纜、連接器和更厚主板電源層減少PDN電阻；二是在給定的傳輸功率下，提高PDN電壓以減小電流，這允許使用更小的線纜、連接器和更薄的主板銅箔電源層，從而可縮減相應(yīng)的尺寸、成本和重量。

多年來，工程師一直使用第一種方法，因?yàn)樵摲椒ㄅc數(shù)十年來為單相AC及12V DC-DC轉(zhuǎn)換器及穩(wěn)壓器構(gòu)建的大型生態(tài)系統(tǒng)兼容。其它原因還包括DC-DC轉(zhuǎn)換器拓?fù)湫阅懿蛔?，無法高效將更高電壓直接轉(zhuǎn)換為負(fù)載點(diǎn)(PoL)電壓，以及這些電壓更高的轉(zhuǎn)換器及穩(wěn)壓器的相關(guān)費(fèi)用等。

然而，現(xiàn)代電源設(shè)計(jì)使用第二種方法的越來越多，提高PDN電壓。這一趨勢(shì)的推動(dòng)力源于系統(tǒng)負(fù)載功率的顯著提升。以數(shù)據(jù)中心為例，人工智能(AI)、機(jī)器學(xué)習(xí)和深度學(xué)習(xí)的加入，使機(jī)架功率迅速上升到了兩倍，達(dá)到20kW范圍，而超級(jí)計(jì)算機(jī)服務(wù)器機(jī)架則已接近100kW或更高。理想的負(fù)載點(diǎn)電源系統(tǒng)。穩(wěn)壓器在Vin= Vout時(shí)提供最高效率。大電流供電最接近負(fù)載點(diǎn)時(shí)效率最高，從而可最大限度降低I2R損耗。

這一電源需求的增長(zhǎng)促使系統(tǒng)工程師對(duì)其整個(gè)PDN進(jìn)行了重新評(píng)估，從機(jī)架到機(jī)架內(nèi)部的配電，乃至服務(wù)器刀片上的PDN，無一例外，因?yàn)楝F(xiàn)代CPU和AI處理器功耗更大。機(jī)架功率為5kW水平時(shí)，單相AC到機(jī)架是正常的。然后將AC轉(zhuǎn)換為12V，配送給服務(wù)器刀片。功率為5kW時(shí)，PDN電流為416A (5kW/12V)，配電通過大量線纜進(jìn)行。

處理器功率大約從2015年開始急劇上升，因此機(jī)架電源上升到了12kW。所以，必須在12V PDN的機(jī)架內(nèi)對(duì)1kA電流進(jìn)行管理。OCP (開放計(jì)算項(xiàng)目)聯(lián)盟成員主要包括云計(jì)算、服務(wù)器和CPU公司，該聯(lián)盟將一如既往地發(fā)展其12V機(jī)架設(shè)計(jì)。OCP機(jī)架從線纜轉(zhuǎn)移到了母線排，并在機(jī)架內(nèi)分配多個(gè)單相AC至12V轉(zhuǎn)換器，以最大限度縮減機(jī)架到服務(wù)器刀片的PDN距離以及阻抗。與以往機(jī)架供電的主要差異是，以前來自于機(jī)架饋電的單相交流電為三相中的單相。

能夠構(gòu)建其自己的機(jī)架及數(shù)據(jù)中心解決方案的公司開始轉(zhuǎn)而采用48V配電。這一策略將12kW機(jī)架的大電流PDN問題削減到了250A，但為刀片服務(wù)器的功率轉(zhuǎn)換帶來了新的難題。通過“最后一英寸”傳輸大電流，為高功率處理器設(shè)置了障礙。Vicor技術(shù)不僅可提高這一性能，而且還可簡(jiǎn)化主板設(shè)計(jì)。

機(jī)架電源超過20kW的范圍時(shí)，服務(wù)器機(jī)架PDN設(shè)計(jì)將不斷發(fā)展。人們?yōu)榱司S持12V原有系統(tǒng)的現(xiàn)狀，在許多方面都得有創(chuàng)新，但數(shù)據(jù)中心引入AI的處理器穩(wěn)態(tài)電流超過1000安培、峰值電流接近2000安培時(shí)，就會(huì)讓基于12V傳統(tǒng)的PDN不切實(shí)際。AI的核心是性能，而12V PDN則會(huì)限制性能和競(jìng)爭(zhēng)力。

為了解決高功率機(jī)架的諸多難題，OCP聯(lián)盟正在向可容納48V PDN的機(jī)架發(fā)展。從12V配電轉(zhuǎn)向48V，可將輸入電流需求降低4倍(P=V×I)，將損耗銳減16倍（功耗= I2R）。此外，汽車、5G、LED照明和顯示屏市場(chǎng)以及工業(yè)應(yīng)用，也在向48V配電轉(zhuǎn)型。因此，48V電源轉(zhuǎn)換器生態(tài)系統(tǒng)正在迅猛發(fā)展，轉(zhuǎn)用48V有很好的商業(yè)意義。但不是所有的48V轉(zhuǎn)換器拓?fù)浼凹軜?gòu)都相同。48V轉(zhuǎn)換器市場(chǎng)性能參差不齊，這是一個(gè)值得仔細(xì)考慮的實(shí)際情況。

由于高性能和電源效率位列高功率機(jī)架及數(shù)據(jù)中心需求的榜首，有幾家公司正在采用三相AC至48V，為服務(wù)器刀片配電。另外，也可使用機(jī)架內(nèi)分配的高電壓DC（380V，源自整流三相輸入）。多家高性能計(jì)算公司正在將HVDC PDN用于功率高達(dá)100kW的機(jī)架。為服務(wù)器刀片供電的PDN轉(zhuǎn)換為48V時(shí)，刀片上的電源轉(zhuǎn)換也必須改變。這種轉(zhuǎn)變導(dǎo)致了DC-DC轉(zhuǎn)換器與穩(wěn)壓器在架構(gòu)、拓?fù)渑c封裝的多種選擇。

48V模式對(duì)于數(shù)據(jù)中心服務(wù)器而言還很陌生，但在路由器和網(wǎng)絡(luò)交換機(jī)等通信應(yīng)用中卻很普及，因?yàn)樗鼈兪褂玫氖强沙潆姷?8V鉛酸備用電池系統(tǒng)。數(shù)據(jù)中心服務(wù)器中以前使用的通用架構(gòu)叫中間母線架構(gòu)或IBA。IBA包括隔離式非穩(wěn)壓母線轉(zhuǎn)換器，可將-48V轉(zhuǎn)換為+12V，提供給一系列多相降壓穩(wěn)壓器，用于負(fù)載點(diǎn)。一些云計(jì)算公司和HPC公司最初為其48V系統(tǒng)復(fù)制了這一架構(gòu)，但在功率增加而PoL電壓降至1V以下時(shí)，設(shè)計(jì)人員開始尋找可替代的架構(gòu)和拓?fù)洹?/p>

電源系統(tǒng)架構(gòu)、開關(guān)拓?fù)浜头庋b對(duì)于高性能高密度設(shè)計(jì)而言非常重要。隨著AI及CPU處理器電流的增加，由于穩(wěn)壓器和PoL之間的PDN電阻影響，PoL處功率傳遞電路的密度成為人工智能應(yīng)用中最關(guān)鍵的元素。業(yè)界一流的最新AI處理器具有大約1kA的穩(wěn)態(tài)電流，峰值電流達(dá)1.5kA至2kA?？紤]到處理器常規(guī)多相降壓穩(wěn)壓器輸出的典型PDN電阻在200至400?Ω之間，所帶來的PCB功耗為穩(wěn)態(tài)(P = I2R) 200-400W，對(duì)于任何系統(tǒng)來說，都太高了，根本無法處理。

PDN損耗成了DC-DC穩(wěn)壓器設(shè)計(jì)效率及性能的主導(dǎo)因素。這是一個(gè)負(fù)載點(diǎn)問題，而且提高電壓根本不現(xiàn)實(shí)（PoL電壓在快速下降，以維持摩爾定律的有效性），因此唯一可行的方法是減少PDN電阻，將穩(wěn)壓器盡量靠近處理器布置。在多相降壓穩(wěn)壓器的案例中，通常會(huì)占用16-24個(gè)相位，才能支持AI處理器的大電流。這不是一種高電流密度方案，無法解決PDN功耗問題。
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