非穩(wěn)壓中間總線轉(zhuǎn)換器在數(shù)據(jù)中心中的應(yīng)用

電源設(shè)計(jì)中的挑戰(zhàn)

隨著數(shù)據(jù)中心的供電需求不斷攀升，尤其是那些致力于滿足于AI算力需求的數(shù)據(jù)中心，電源系統(tǒng)不僅必須要持續(xù)提供更高的效率，還要提供更高的功率密度。

數(shù)據(jù)中心的電源架構(gòu)一直在不斷發(fā)展，以應(yīng)對(duì)供電需求的增長和負(fù)載要求的變化。過去，每個(gè)機(jī)架都有其單獨(dú)的AC/DC轉(zhuǎn)換器，導(dǎo)致布線笨重且成本高昂。如今，中間總線轉(zhuǎn)換器（IBC）簡(jiǎn)化了這一流程，使用大容量AC/DC轉(zhuǎn)換器支持整臺(tái)機(jī)柜，通常以48 V或54 V的安全電壓提供直流電，以將歐姆（I2R）損耗最小化并維持可接受的電流水平。

在每個(gè)刀片中，IBC將48 V輸入轉(zhuǎn)換為中間總線電壓（通常為12 V），然后通過負(fù)載點(diǎn)（PoL）轉(zhuǎn)換器或最近常用到的電壓調(diào)節(jié)器模塊（VRM），在通常需要的較高電流下實(shí)現(xiàn)各種電路板和芯片所需的精確電壓。傳統(tǒng)上，IBC必須與電信應(yīng)用中使用的36 V至75 V電壓范圍兼容，但由于數(shù)據(jù)中心環(huán)境不再使用備用電池（更多情況下使用不間斷電源），IBC的輸入電壓可以優(yōu)化到40 V至60 V或甚至更小的范圍。

采用基于IBC的系統(tǒng)有著許多優(yōu)勢(shì)，包括更高效、布線成本更低、功率密度更高等。然而，引入額外的轉(zhuǎn)換級(jí)意味著效率優(yōu)勢(shì)變得最為重要。

揭秘選擇非穩(wěn)壓式IBC的真相

Flex Power Modules研發(fā)了不同類型的IBC，如非穩(wěn)壓式、穩(wěn)壓式和創(chuàng)新的混合調(diào)節(jié)比（HRR）等可選產(chǎn)品。設(shè)計(jì)人員必須評(píng)估成本、效率和特定系統(tǒng)需求等因素，以選擇最合適的方案。

非穩(wěn)壓式IBC具有固定的轉(zhuǎn)換率，例如4:1（即48 V輸入轉(zhuǎn)換為12 V輸出），這使得它們能夠?qū)崿F(xiàn)最高的效率、最低的成本和最小的尺寸。然而，它們的輸出電壓與輸入電壓成正比，這意味著PoL轉(zhuǎn)換器必須能夠處理潛在的較大電壓變化。

另一方面，穩(wěn)壓式IBC使用反饋或前饋環(huán)路以在更小的容差范圍內(nèi)控制輸出電壓，但這意味著這類IBC的效率低于非穩(wěn)壓式IBC。盡管如此，保持較小的輸出電壓范圍可以顯著提高PoL轉(zhuǎn)換器的效率。

圖 1：DC/DC轉(zhuǎn)換器架構(gòu)

HRR型號(hào)融合了兩種方式，在切換到完全調(diào)節(jié)之前，在設(shè)定輸入電壓之內(nèi)提供比例調(diào)節(jié)，結(jié)合兩種系統(tǒng)的最佳特性，以適用于更多應(yīng)用。

圖 2：混合調(diào)節(jié)比（HRR）的運(yùn)作方式

克服IBC設(shè)計(jì)中的挑戰(zhàn)

在這些不同的方案中，要實(shí)現(xiàn)高效、可靠的IBC設(shè)計(jì)，必須解決多個(gè)技術(shù)挑戰(zhàn)。

啟動(dòng)動(dòng)態(tài)：初始功率應(yīng)用可能會(huì)產(chǎn)生紋波電流峰值，存在損壞元器件或觸發(fā)過流保護(hù)的可能性。調(diào)節(jié)開關(guān)頻率或使用更大的輸出電感器可以緩解這種情況。

同步整流：使用MOSFET代替二極管進(jìn)行整流，壓降較低，這種方法提高了效率。但是，它也帶來了復(fù)雜性，尤其是考慮到轉(zhuǎn)換器驅(qū)動(dòng)時(shí)序這一因素。

反向能量管理：MOSFET可以雙向傳導(dǎo)電流，在突然關(guān)機(jī)時(shí)會(huì)帶來風(fēng)險(xiǎn)。適當(dāng)?shù)目刂撇呗?，包括及時(shí)停用MOSFET等，對(duì)于防止不必要的反向電流至關(guān)重要。

許多工程師更傾向選擇從制造商那里采購功能完善的IBC模塊，它們既能應(yīng)對(duì)以上的挑戰(zhàn)，同時(shí)又最大限度地提升性能與效率。

將理論化為實(shí)踐

Flex Power Modules推出了多個(gè)非隔離非穩(wěn)壓式IBC的解決方案，如BMR313，BMR314和BMR320等。

BMR313適用于狹窄空間，以細(xì)微之身（23.4 x 17.8 x 7.65 毫米）提供3 kW峰值功率，以4:1輸入輸出比實(shí)現(xiàn)驚人的908 W/cm3功率密度。BMR313巧用了安森美最新一代中間總線數(shù)字控制器FD6000的優(yōu)勢(shì)，在54 V輸入電壓下，該模塊在50%的負(fù)載（40 A）時(shí)效率高達(dá)97.2%。

另一個(gè)非隔離、非穩(wěn)壓式4:1比率IBC的范例產(chǎn)品是BMR314，它可提供高達(dá)1.5 kW 的峰值功率。與BMR313一樣，BMR314使用行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)LGA封裝和引腳布局，以確保供貨和第二貨源的安全性。

圖 3：Flex Power Modules推出的BMR314產(chǎn)品

此外，BMR320適用于40 V至60 V輸入，并采用8:1固定比率，這意味著產(chǎn)品的輸出電壓范圍為5 V至7.5 V。這使其非常適合需要較低中間總線電壓的應(yīng)用。當(dāng)這種較低中間總線電壓與下游PoL轉(zhuǎn)換器、VRM或諸如BMR510等集成功率級(jí)結(jié)合使用時(shí)，能有助于優(yōu)化整體系統(tǒng)效率。

每個(gè)電源模塊都配備PMBus接口，以便監(jiān)控、配置和控制。該接口與Flex Power's Designer軟件無縫集成，讓您能夠進(jìn)行更精細(xì)的電源系統(tǒng)管理。

結(jié)語

與穩(wěn)壓式IBC相比，非穩(wěn)壓式IBC具有更高的效率和成本效益，因此在數(shù)據(jù)中心應(yīng)用中越來越受歡迎。

除了前面提到的4:1和8:1輸入輸出比，能夠允許系統(tǒng)設(shè)計(jì)人員對(duì)整體系統(tǒng)效率進(jìn)行優(yōu)化的其他比率的需求也被提上了議事日程。例如5:1、6:1甚至10:1等，F(xiàn)lex Power Modules正在通過使用最新拓?fù)浜瓦x擇最新元器件進(jìn)行新產(chǎn)品的開發(fā)，同時(shí)也采用了新型的熱管理技術(shù)來實(shí)現(xiàn)最高功率密度，以回應(yīng)這些需求。

在面向AI應(yīng)用的處理器技術(shù)進(jìn)步的驅(qū)動(dòng)之下，對(duì)更強(qiáng)、更高效電源的需求正不斷增長。電源設(shè)計(jì)工程師在努力降低散熱成本時(shí)，會(huì)持續(xù)關(guān)注高功率密度下的熱管理。

幸運(yùn)的是，F(xiàn)lex Power Modules仍然是IBC電源模塊的全球領(lǐng)導(dǎo)者。我們通過持續(xù)創(chuàng)新，以可靠、高效的電源解決方案來滿足這些不斷變化的需求。