簡(jiǎn)化數(shù)據(jù)中心的48V至12V電源轉(zhuǎn)換

數(shù)據(jù)中心消耗的大量電力推動(dòng)了從12V到48V服務(wù)器機(jī)架架構(gòu)的過(guò)渡。該設(shè)計(jì)解決方案回顧了高效為48V服務(wù)器機(jī)架中的各種電子負(fù)載供電所需的不同拓?fù)?。然后，本文重點(diǎn)介紹PCIE和HDD等外設(shè)，需要穩(wěn)壓良好的12V電源軌，并提出了一種多相、交錯(cuò)式、耦合電感的48V至12V降壓轉(zhuǎn)換器解決方案，該解決方案緊湊、高效且經(jīng)濟(jì)高效。

介紹

容量達(dá)數(shù)百兆瓦的超大規(guī)模數(shù)據(jù)中心需要高效的電力輸送，超出了傳統(tǒng)12V供電舊服務(wù)器主板的能力。這樣的數(shù)據(jù)中心（圖1）的電源使用效率（PUE）最多為1.1，將其10%的功率（數(shù)十兆瓦）浪費(fèi)在冷卻和開(kāi)銷上。這種浪費(fèi)的電力可以舒適地為一個(gè)擁有大約10，000戶家庭的小城市供電。從 12V 電源轉(zhuǎn)向 48V 電源帶來(lái)了幾個(gè)優(yōu)勢(shì)。由于電流 （4x）、銅損 （16x） 和連接器/母線尺寸減小，服務(wù)器機(jī)架在散熱、尺寸和成本方面都變得更加高效。在此設(shè)計(jì)解決方案中，我們回顧了現(xiàn)代數(shù)據(jù)中心的電源管理架構(gòu)，概述了為處理器、存儲(chǔ)器和外設(shè)等不同類別的負(fù)載供電的不同策略。最后，我們將重點(diǎn)縮小到需要 12V 電源軌的 PCIE 和 HDD 等外設(shè)，并提出了一種多相、交錯(cuò)、基于耦合電感的 48V 至 12V 降壓轉(zhuǎn)換器解決方案，該解決方案緊湊、高效且具有成本效益。

48V 服務(wù)器架構(gòu)

圖 2 顯示了 48V 服務(wù)器架構(gòu)。為存儲(chǔ)器和微處理器等低壓（<1.8V）高電流負(fù)載供電的最佳策略是將48V降至未穩(wěn)壓的12V電源軌。開(kāi)環(huán)、非穩(wěn)壓 4：1 開(kāi)關(guān)儲(chǔ)罐轉(zhuǎn)換器 （STC） 拓?fù)淇蓪?shí)現(xiàn)軟開(kāi)關(guān)操作，峰值效率在 98% 至 99% 范圍內(nèi)。從這里開(kāi)始，高效的12V VR轉(zhuǎn)換器為各種負(fù)載供電。

PCIE 和 HDD 等外設(shè)需要一個(gè) 12V 電源軌和高達(dá) 100A （1.2kW） 的電流。在這種情況下，需要48V至12V穩(wěn)壓交錯(cuò)式多相DC-DC轉(zhuǎn)換器。

圖2.48V 服務(wù)器架構(gòu)。

四相 100A 直流-直流轉(zhuǎn)換器

四相交錯(cuò)式DC-DC轉(zhuǎn)換器可確保紋波電流，因此與單相相比，紋波電壓降低。較低的輸出電流紋波和電壓紋波意味著輸出端需要的電容器更少，從而減小了BOM。四相架構(gòu)還需要較少的輸入電容。總輸入電流是四個(gè)異相電流之和。在這里，與單相操作相比，隨著時(shí)間的推移分散總輸入電流會(huì)降低輸入電流的總RMS值。這允許使用更小的輸入電流紋波濾波器。四相轉(zhuǎn)換器的另一大優(yōu)點(diǎn)是負(fù)載階躍期間的快速瞬態(tài)響應(yīng)和更低的電壓過(guò)沖/下沖。反過(guò)來(lái)，這意味著為電子負(fù)載供電的電壓軌可以更緊，留給瞬態(tài)下降的裕量更小，從而減少負(fù)載處的功耗。

在這種大電流應(yīng)用中，必須擠出最后一個(gè)百分點(diǎn)的效率，另一張牌是耦合電感，其中電感纏繞在公共磁芯上。在這里，繞組方向使得磁通量抵消，與四個(gè)非耦合電感相比，紋波電流不到四分之一。極低的紋波電流可實(shí)現(xiàn)最小的 BOM 和最高的效率。

48V 至 12V 直流至直流控制器

例如，8V至60V MAX15157B固定頻率、精確電流報(bào)告、電流模式PWM控制器（圖3）驅(qū)動(dòng)兩個(gè)降壓配置的功率MOSFET，允許穩(wěn)壓器作為48V至12V降壓穩(wěn)壓器工作。四個(gè) IC 與外部分立式 MOSFET、電容器和單個(gè)耦合電感器交錯(cuò)在一起，以實(shí)現(xiàn)多相操作。

圖3.單相直流-直流轉(zhuǎn)換器。

開(kāi)關(guān)頻率可通過(guò)設(shè)置內(nèi)部振蕩器頻率的外部電阻器或?qū)⒎€(wěn)壓器同步至外部時(shí)鐘來(lái)控制。該器件設(shè)計(jì)用于支持 120kHz 至 1MHz 開(kāi)關(guān)頻率。每個(gè)IC均采用5mm x 5mm、32引腳TQFN封裝，支持-40°C至+125°C結(jié)溫范圍。

1.2kW四分之一磚密度解決方案

在四相耦合電感配置中，該解決方案具有出色的97.9%峰值和97.43%滿載效率（12V、100A、1.2kW），如圖4所示。

圖4.四相效率曲線。

顯示了帶耦合電感的48V至12VPCB解決方案。該解決方案可輕松嵌入主板上。它在PCB一側(cè)產(chǎn)生1/4磚尺寸，在兩個(gè)PCB側(cè)產(chǎn)生1/8磚尺寸。

結(jié)論

能源效率正在推動(dòng)數(shù)據(jù)中心向48V架構(gòu)發(fā)展。與 12V 相比，由于電流、銅損和連接器/母線尺寸減小，48V 服務(wù)器機(jī)架在散熱、尺寸和成本方面都更有效。數(shù)據(jù)中心服務(wù)器微處理器和存儲(chǔ)器最好由前端無(wú)調(diào)節(jié)的高效階段提供服務(wù)，然后是針對(duì)特定負(fù)載量身定制的VR。我們將此實(shí)現(xiàn)的細(xì)節(jié)留到另一天。PCIE 和 HDD 需要一個(gè) 12V 電源軌，最好采用基于多相、交錯(cuò)、耦合電感的 48V 至 12V 降壓轉(zhuǎn)換器拓?fù)?。為此，我們介紹了MAX15157B降壓轉(zhuǎn)換器構(gòu)建模塊。四個(gè)交錯(cuò)式 IC 以及相關(guān)的分立式 MOSFET、電容器和單個(gè)耦合電感器，可提供緊湊的 100A、1.2kW 解決方案，滿負(fù)載時(shí)具有出色的 97.9% 峰值和 97.43% 的效率。這樣的效率水平為在不遠(yuǎn)的將來(lái)接近統(tǒng)一的電源使用效率提供了一條途徑。

審核編輯：郭婷