其實，完全可以通過使用 48V 背板和配電來實現這一需求，然而這種方法卻存在諸多挑戰，因為它無法依靠傳統同步 Buck 降壓調節器將48V 電(dian)壓(ya)驅(qu)動(dong)至(zhi)電(dian)路(lu)板(ban)。那(na)麼(me)，還(hai)有(you)什(shen)麼(me)其(qi)他(ta)辦(ban)法(fa)可(ke)以(yi)在(zai)不(bu)增(zeng)加(jia)成(cheng)本(ben)的(de)前(qian)提(ti)下(xia)提(ti)高(gao)數(shu)據(ju)中(zhong)心(xin)的(de)功(gong)率(lv)密(mi)度(du)呢(ne)



？本(ben)文(wen)概(gai)述(shu)了(le)一(yi)種(zhong)兩(liang)級(ji)架(jia)構(gou)解(jie)決(jue)方(fang)案(an)——以一種靈活的、可調節的、高性價比方式
，將 48V 電壓驅動至負載點（POL
，大約 1-5V）
，這對於下一代服務器功率傳輸將大有裨益。

 

方案

 

隨(sui)著(zhe)用(yong)戶(hu)對(dui)數(shu)據(ju)中(zhong)心(xin)的(de)需(xu)求(qiu)越(yue)來(lai)越(yue)大(da)

，提(ti)高(gao)數(shu)據(ju)中(zhong)心(xin)尺(chi)寸(cun)和(he)密(mi)度(du)也(ye)變(bian)得(de)迫(po)在(zai)眉(mei)睫(jie)。其(qi)中(zhong)關(guan)鍵(jian)製(zhi)約(yue)因(yin)素(su)是(shi)服(fu)務(wu)器(qi)每(mei)個(ge)機(ji)架(jia)的(de)功(gong)率(lv)限(xian)製(zhi)大(da)約(yue)隻(zhi)有(you)20kW

，這種限製由次優的配電網絡導致而成。由於大部分芯層和背板工作在 12V，需要大量覆銅來限製每個機架的功率。對此，開放計算項目（OCP）和穀歌已經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遊解決方案。（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
，包括用於電源的小電流，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zhe些xie解jie決jue方fang案an對dui於yu大da電dian流liu電dian源yuan應ying用yong是shi很hen有you效xiao，但dan是shi它ta們men都dou難nan以yi縮suo小xiao規gui模mo，對dui大da多duo數shu小xiao電dian流liu電dian源yuan來lai說shuo非fei常chang昂ang貴gui，甚shen至zhi對dui於yu大da電dian流liu電dian源yuan來lai說shuo成cheng本ben效xiao益yi也ye不bu夠gou高gao。因yin此ci，有you人ren提ti出chu了le另ling一yi種zhong解jie決jue方fang案an：使用氮化镓 (GaN) 來(lai)解(jie)決(jue)此(ci)難(nan)題(ti)
，采(cai)用(yong)一(yi)種(zhong)簡(jian)單(dan)的(de)同(tong)步(bu)降(jiang)壓(ya)解(jie)決(jue)方(fang)案(an)來(lai)完(wan)成(cheng)直(zhi)接(jie)的(de)電(dian)壓(ya)轉(zhuan)換(huan)。當(dang)然(ran)

，如(ru)果(guo)成(cheng)本(ben)和(he)大(da)批(pi)量(liang)生(sheng)產(chan)變(bian)得(de)可(ke)行(xing)時(shi)，它(ta)們(men)的(de)確(que)具(ju)有(you)廣(guang)大(da)的(de)市(shi)場(chang)前(qian)景(jing)，但(dan)就(jiu)目(mu)前(qian)看(kan)來(lai)依(yi)舊(jiu)遙(yao)遙(yao)無(wu)期(qi)。

 

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，因為對於 12V-1V 的電壓轉換

，目前最先進的轉換效率為95%。再加上工業標準機架和插入背板的配電板尺寸限製
，48V-1V 轉換器尺寸不得大於 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
，相比於既有的數據中心解決方案，具有更高效率
、更低成本和可調性優勢。

 

第一級

 

首先將VIN 電源 (48V)分布至整個板上，然後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 98% 的峰值效率。由於輸入電壓低於 60V，所以無需隔離。采用變壓器代替電感作為 LLC 網絡的一部分，更易實現功能性隔離，同時有助於電壓從 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功率輸出的功能進行調節，但是對於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，可以在不影響下遊解決方案的情況下無縫更換這些模塊。非穩壓可變 5-8V 電壓也可由 5-8V 穩壓代替，不會對整個係統造成任何幹擾，從而可以保持互操作性。

 

第二級

 

第二級完全取決於所分配的電源。在1毫安負載情況下，第二級就像使用線性低壓差（LDO）tiaojieqiyiyangjiandan。suizhegonglvjidetigao，dierjikeyichongfenliyongdanxiangtongbujiangyatiaojieqi。suizheshurudianyadexiajiang，dizhankongbilvdeyaoqiuyesuizhijianshao，bingqiehaikeyiyouhuachangxiaoyingguan(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 xuqiudejiejuefangan，bujinkeyijiangdiyuanqijiandechengben，haikeyicongxiaolvshanggaishantamendepinzhiyinshu。erzhenduichuliqihecunchuqizhonggenggaodedianliujiejuefangan，kecaiyongduoxiangjiaocuobingliantiaojieqi（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%。得益於大部分變換器中前饋控製的改善，浮動輸入電壓（5-8V，第一級輸出）也變得更易處理。由於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suo以yi不bu會hui增zeng加jia電dian路lu板ban的de尺chi寸cun。第di二er級ji尺chi寸cun減jian小xiao的de後hou續xu增zeng益yi對dui應ying了le第di一yi級ji尺chi寸cun的de增zeng加jia。第di二er級ji變bian換huan器qi的de靈ling活huo使shi用yong和he第di一yi級ji變bian換huan器qi的de響xiang應ying調tiao整zheng功gong能neng，增zeng加jia了le解jie決jue方fang案an的de可ke調tiao性xing。采cai用yong此ci種zhong解jie決jue方fang案an
，在zai保bao證zheng數shu據ju中zhong心xin成cheng本ben和he尺chi寸cun不bu變bian的de同tong時shi，可ke實shi現xian每mei機ji架jia100kW的功率密度。

 

 

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