現(xiàn)代數(shù)據(jù)中心的電力輸送

現(xiàn)代數(shù)據(jù)中心的功耗正在飛漲，這是由于數(shù)字 ASIC 的使用增加，其持續(xù)功率要求可以達(dá)到數(shù)百瓦。在最近的 ST 開(kāi)發(fā)者大會(huì)上，ST 的 Paolo Sandri 討論了當(dāng)今數(shù)據(jù)中心管理員所面臨的挑戰(zhàn)以及ST 為滿足低電壓、大電流應(yīng)用需求而提供的配電架構(gòu)選項(xiàng)。

數(shù)據(jù)中心正在發(fā)展。不再需要它們來(lái)有效地為以 100 瓦運(yùn)行的基本 CPU 供電。相反，它們必須為越來(lái)越多需要更高電流水平才能有效運(yùn)行的處理器提供高功率密度。其中包括圖形處理單元 （GPU）、張量處理單元 （TPU） 和網(wǎng)絡(luò) ASIC。使用傳統(tǒng)的 12V 配電總線來(lái)滿足這些不斷增長(zhǎng)的電源要求已不再有效，并且可以使用新的配電架構(gòu)來(lái)滿足這些需求。

改善電力輸送的一種有效方法是從傳統(tǒng)的 12V 配電母線轉(zhuǎn)向 48V 直流母線。然而，48V DC 總線配電在轉(zhuǎn)換效率、功率密度和總 BOM 優(yōu)化方面提出了一些挑戰(zhàn)。當(dāng)從 48V 轉(zhuǎn)換為中間總線或直接轉(zhuǎn)換為負(fù)載供電 （POL） 到需要高功率密度的應(yīng)用時(shí)，ST 提供了廣泛的架構(gòu)來(lái)滿足各種需求。

ST 通過(guò) 48V 直流輸入提供多種供電架構(gòu)

兩步電源轉(zhuǎn)換架構(gòu)

為中間總線轉(zhuǎn)換提出的架構(gòu)可以提供兩步穩(wěn)壓輸出（例如 12V）或通過(guò)定義的轉(zhuǎn)換比（例如，如果轉(zhuǎn)換比為 4:1）鏈接到輸入電壓的兩步非穩(wěn)壓總線V out將是 V in /4）。對(duì)于這兩種架構(gòu)，ST 解決方案解決了效率和功率密度方面的挑戰(zhàn)，該解決方案可以提供從幾百瓦到幾千瓦的功率。

對(duì)于非穩(wěn)壓轉(zhuǎn)換，ST 提出了一種開(kāi)關(guān)槽轉(zhuǎn)換器 （STC） 中間總線架構(gòu)。這是一種相對(duì)簡(jiǎn)單的架構(gòu)，旨在從 40V 至 60V 的輸入電壓（傳統(tǒng)的 4 比 1 轉(zhuǎn)換比）提供 12V 輸出。這種架構(gòu)的優(yōu)勢(shì)之一是其高功率密度和 360W 時(shí) 98% 的峰值效率。它還使用現(xiàn)成的組件構(gòu)建，因此 BOM 成本低。對(duì)于簡(jiǎn)單的數(shù)據(jù)中心應(yīng)用（例如運(yùn)行 CPU 和 DDR）來(lái)說(shuō)，不受監(jiān)管的架構(gòu)就足夠了，但如果您的平臺(tái)包含某些敏感應(yīng)用程序、PCI Express 連接器或硬盤(pán)驅(qū)動(dòng)器，則您將需要受監(jiān)管的轉(zhuǎn)換。

對(duì)于穩(wěn)壓轉(zhuǎn)換，ST 建議采用堆疊降壓 （STB） 中間總線架構(gòu)。這種架構(gòu)的最佳點(diǎn)是輸入電壓范圍為 36 至 60 伏，輸出為 12 伏，熱設(shè)計(jì)功率為 800 瓦。如上所述，這種架構(gòu)的主要好處是它的高效率（在 54 伏電壓下，它實(shí)現(xiàn)了超過(guò) 96% 的效率，功率輸出為 721 瓦）和類似的低現(xiàn)成組件成本。此外，這種堆疊式降壓架構(gòu)具有可擴(kuò)展性，可以連接多達(dá) 4 個(gè)電池以提供 3.2 千瓦的功率。由于它提供穩(wěn)定的電流，因此建議將這種架構(gòu)用于包括敏感陣列（如張量處理單元或 PCI Express 設(shè)備）的數(shù)據(jù)中心環(huán)境。

直接單步轉(zhuǎn)換架構(gòu)

48V DC 總線的另一個(gè)轉(zhuǎn)換選項(xiàng)是直接轉(zhuǎn)換為 POL，該架構(gòu)旨在直接向核心通常需要數(shù)百瓦的數(shù)字 ASIC 供電。直接轉(zhuǎn)換功率傳輸除了需要高效率和功率密度優(yōu)化外，還需要解決其他一些關(guān)鍵挑戰(zhàn)，例如需要吸收電流以符合進(jìn)氣要求。

從 48V 到 POL 的直接轉(zhuǎn)換是一種有趣的架構(gòu)，因?yàn)樗鼮槌呙芏饶K的實(shí)施者打開(kāi)了大門(mén)。該架構(gòu)在一次轉(zhuǎn)換中將 40V 至 60V 輸入范圍直接轉(zhuǎn)換為 1.8V GPU 或 TPU 或其他高功率密度應(yīng)用，實(shí)現(xiàn)每平方英寸 100 瓦的功率密度和超過(guò) 93% 的峰值和平坦效率。該設(shè)計(jì)結(jié)合了一個(gè)準(zhǔn)諧振控制器和一個(gè)變壓器，并且在組件采購(gòu)方面需要一種比上述使用現(xiàn)成組件的兩步轉(zhuǎn)換架構(gòu)更量身定制的方法。

為了解決設(shè)計(jì)這些直接轉(zhuǎn)換架構(gòu)的復(fù)雜性，ST 與Power Stamp Alliance的其他電子制造商一起為 48V 直接轉(zhuǎn)換 DC-DC 模塊（又名“power stamps”）定義標(biāo)準(zhǔn)產(chǎn)品尺寸和引腳設(shè)計(jì)。建立聯(lián)盟并公布足跡為單級(jí)電源轉(zhuǎn)換單元?jiǎng)?chuàng)建了一個(gè)多供應(yīng)商生態(tài)系統(tǒng)，適用于 48V到低電壓、高電流應(yīng)用。

這些架構(gòu)中的每一個(gè)都根據(jù)您的數(shù)據(jù)處理環(huán)境的要求提供不同的好處。ST 期待與您合作，根據(jù)您的特定數(shù)據(jù)中心設(shè)計(jì)優(yōu)先級(jí)提供優(yōu)化的電源架構(gòu)。

審核編輯：郭婷