采用兩級電源架構方案提升 48V 配電系統(tǒng)功率密度和數(shù)據(jù)中心能效

當前的數(shù)據(jù)中心，通常仍需要一個 12V 背板以及板上配電功能，并采用單相或多相同步 Buck 降壓調節(jié)器，方可將電壓降到 1V 左右。正常情況下，這些數(shù)據(jù)中心機架的額定功率最大為 20kW。而業(yè)內的需求是希望將每個機架的功率密度能提高到100kW，從而減少整體尺寸。其實，完全可以通過使用 48V 背板和配電來實現(xiàn)這一需求，然而這種方法卻存在諸多挑戰(zhàn)，因為它無法依靠傳統(tǒng)同步 Buck 降壓調節(jié)器將48V 電壓驅動至電路板。那么，還有什么其他辦法可以在不增加成本的前提下提高數(shù)據(jù)中心的功率密度呢？本文概述了一種兩級架構解決方案——以一種靈活的、可調節(jié)的、高性價比方式，將 48V 電壓驅動至負載點（POL，大約 1-5V），這對于下一代服務器功率傳輸將大有裨益。

方案

隨著用戶對數(shù)據(jù)中心的需求越來越大，提高數(shù)據(jù)中心尺寸和密度也變得迫在眉睫。其中關鍵制約因素是服務器每個機架的功率限制大約只有20kW，這種限制由次優(yōu)的配電網(wǎng)絡導致而成。由于大部分芯層和背板工作在 12V，需要大量覆銅來限制每個機架的功率。對此，開放計算項目（OCP）和谷歌已經(jīng)提出了將工作電壓提高到 48V的解決方案，能將每個機架的安裝容量提高到每架 50-100kW。然而這種架構尚未成功的至關因素是缺乏下游解決方案。（也就是說：需將 48V 電壓驅動至電路板上安裝的負載點（POL），包括處理器，內存條，和其他 ASICs 專用集成電路）。

同時也有人提出了幾種不同的方法來解決 48V 輸入到負載點（POL）的配電問題——需要克服的主要挑戰(zhàn)包括可調性、成本、效率和尺寸問題。

可調性和成本

首先，很難將 48V 電壓分配到各個負載點，包括用于電源的小電流，例如 USB 和 VGA 端口，這些端口在 2-5V 時通常每個會消耗幾百毫安的電流；再包括處理器，這些處理器在接近 1V 時會消耗幾百安培的電流。也有一些可行的解決方案，如通過精確地調節(jié)中間母線和使用 DC/DC 變壓器進行最終降壓，將電壓直接從 48V 驅動到負載電壓(1-5V)。

這些解決方案對于大電流電源應用是很有效，但是它們都難以縮小規(guī)模，對大多數(shù)小電流電源來說非常昂貴，甚至對于大電流電源來說成本效益也不夠高。因此，有人提出了另一種解決方案：使用氮化鎵 (GaN) 來解決此難題，采用一種簡單的同步降壓解決方案來完成直接的電壓轉換。當然，如果成本和大批量生產(chǎn)變得可行時，它們的確具有廣大的市場前景，但就目前看來依舊遙遙無期。

效率和尺寸

為了適應當前服務器板的要求，電路板解決方案必須同時滿足高效率和小尺寸。48V 至 1V 的轉換效率至少在 93% 及以上，因為對于 12V-1V 的電壓轉換，目前最先進的轉換效率為95%。再加上工業(yè)標準機架和插入背板的配電板尺寸限制，48V-1V 轉換器尺寸不得大于 12V-1V 轉換器尺寸。

解決方案

本文提出的 48V 至低壓配電解決方案為一種兩級轉換方案，相比于既有的數(shù)據(jù)中心解決方案，具有更高效率、更低成本和可調性優(yōu)勢。

第一級

首先將VIN 電源 (48V)分布至整個板上，然后降壓至可變的中間電壓值，通常為 5-8V。在 CPU 和存儲電源群集中生成 5-8V 可變電壓，由獨立轉換器生成其他配電功率（總計約 50W）。中間浮動電源可確保完全的軟開關，使用半橋、諧振、LLC 變換器能實現(xiàn) 98% 的峰值效率。由于輸入電壓低于 60V，所以無需隔離。采用變壓器代替電感作為 LLC 網(wǎng)絡的一部分，更易實現(xiàn)功能性隔離，同時有助于電壓從 48V 降至 5-8V。這一解決方案的基本理念是模塊化第一級解決方案（見圖1）。

圖1：第一級模塊前視圖

第一級模塊可以根據(jù)功率輸出的功能進行調節(jié)，但是對于典型單處理器服務器，僅需2種模塊即可。第一級的另一個獨特之處為多源極。當市場上諸如 GaN 之類的技術開始普及時，可以在不影響下游解決方案的情況下無縫更換這些模塊。非穩(wěn)壓可變 5-8V 電壓也可由 5-8V 穩(wěn)壓代替，不會對整個系統(tǒng)造成任何干擾，從而可以保持互操作性。

第二級

第二級完全取決于所分配的電源。在1毫安負載情況下，第二級就像使用線性低壓差（LDO）調節(jié)器一樣簡單。隨著功率級的提高，第二級可以充分利用單相同步降壓調節(jié)器。隨著輸入電壓的下降，低占空比率的要求也隨之減少，并且還可以優(yōu)化場效應管(FET)和效率，減少損耗。與典型的 12V 電源相比，此種通過減少高擊穿電壓 FET 需求的解決方案，不僅可以降低元器件的成本，還可以從效率上改善它們的品質因數(shù)。而針對處理器和存儲器中更高的電流解決方案，可采用多相交錯并聯(lián)調節(jié)器（見圖2）。

隨著輸入電壓的降低，這些多相變換器的峰值效率可高達約97%。得益于大部分變換器中前饋控制的改善，浮動輸入電壓（5-8V，第一級輸出）也變得更易處理。由于使用了更小尺寸的電感和更少的電容，高頻變換器的尺寸也變得更小。

圖2：第二級

總結/結論

該解決方案的總效率約為 95%，超過了 48V-1V 轉換 93% 的目標效率，可匹敵最先進的12V-1V轉換效率。因為模塊可以豎直貼裝,所以不會增加電路板的尺寸。第二級尺寸減小的后續(xù)增益對應了第一級尺寸的增加。第二級變換器的靈活使用和第一級變換器的響應調整功能，增加了解決方案的可調性。采用此種解決方案，在保證數(shù)據(jù)中心成本和尺寸不變的同時，可實現(xiàn)每機架100kW的功率密度。