提高48V 配電性能

Phil Davies | Vicor 公司

配電網(wǎng)絡 (PDN) 是所有電源系統(tǒng)的主干部分。隨著系統(tǒng)電源需求的不斷上升，傳統(tǒng) PDN 承受著提供足夠性能的巨大壓力。對于功耗和熱管理而言，主要有兩種方法可以改善 PDN 對電源系統(tǒng)性能的影響。一是使用更大線纜、連接器和更厚主板電源層減少 PDN 電阻；二是在給定的傳輸功率下，提高 PDN 電壓以減小電流，這允許使用更小的線纜、連接器和更薄的主板銅箔電源層，從而可縮減相應的尺寸、成本和重量。

多年來，工程師一直使用第一種方法，因為該方法與數(shù)十年來為單相 AC 及 12V DC-DC 轉換器及穩(wěn)壓器構建的大型生態(tài)系統(tǒng)兼容。其它原因還包括 DC-DC 轉換器拓撲性能不足，無法高效將更高電壓直接轉換為負載點 (PoL) 電壓，以及這些電壓更高的轉換器及穩(wěn)壓器的相關費用等。

然而，現(xiàn)代電源設計使用第二種方法的越來越多，提高 PDN 電壓。這一趨勢的推動力源于系統(tǒng)負載功率的顯著提升。以數(shù)據(jù)中心為例，人工智能 (AI)、機器學習和深度學習的加入，使機架功率迅速上升到了兩倍，達到 20kW范圍，而超級計算機服務器機架則已接近 100kW 或更高。

理想的負載點電源系統(tǒng)。穩(wěn)壓器在 Vin = Vout 時提供最高效率。大電流供電最接近負載點時效率最高，從而可最大限度降低 I2R 損耗。

這一電源需求的增長促使系統(tǒng)工程師對其整個 PDN 進行了重新評估，從機架到機架內部的配電，乃至服務器刀片上的 PDN，無一例外，因為現(xiàn)代 CPU 和 AI 處理器功耗更大。機架功率為 5kW 水平時，單相 AC到機架 是正常的。然后將 AC 轉換為 12V，配送給服務器刀片。功率為 5kW 時，PDN 電流為 416A (5kW/12V)，配電通過大量線纜進行。

處理器功率大約從 2015 年開始急劇上升，因此機架電源上升到了 12kW。所以，必須在 12V PDN 的機架內對 1kA 電流進行管理。OCP (開放計算項目) 聯(lián)盟成員主要包括云計算、服務器和 CPU公司，該聯(lián)盟將一如既往地發(fā)展其 12V 機架設計。OCP 機架從線纜轉移到了母線排，并在機架內分配多個單相 AC 至 12V 轉換器，以最大限度縮減機架到服務器刀片的PDN距離以及阻抗。與以往機架供電的主要差異是，以前來自于機架饋電的單相交流電為三相中的單相。

能夠構建其自己的機架及數(shù)據(jù)中心解決方案的公司開始轉而采用 48V 配電。這一策略將 12kW 機架的大電流 PDN 問題削減到了 250A，但為刀片服務器的功率轉換帶來了新的難題。

通過“最后一英寸”傳輸大電流，為高功率處理器設置了障礙。Vicor 技術不僅可提高這一性能，而且還可簡化主板設計。

機架電源超過 20kW 的范圍時，服務器機架 PDN 設計將不斷發(fā)展。人們?yōu)榱司S持 12V 原有系統(tǒng)的現(xiàn)狀，在許多方面都得有創(chuàng)新，但數(shù)據(jù)中心引入AI的處理器穩(wěn)態(tài)電流超過 1000安培、峰值電流接近 2000安培時，就會讓基于 12V傳統(tǒng)的 PDN 不切實際。AI 的核心是性能，而 12V PDN 則會限制性能和競爭力。

為了解決高功率機架的諸多難題，OCP 聯(lián)盟正在向可容納 48V PDN 的機架發(fā)展。從 12V 配電轉向 48V，可將輸入電流需求降低 4 倍 (P=V×I)，將損耗銳減 16 倍（功耗 = I2R）。此外，汽車、5G、LED 照明和顯示屏市場以及工業(yè)應用，也在向 48V 配電轉型。因此，48V 電源轉換器生態(tài)系統(tǒng)正

在迅猛發(fā)展，轉用 48V有很好的商業(yè)意義。但不是所有的 48V 轉換器拓撲及架構都相同。48V 轉換器市場性能參差不齊，這是一個值得仔細考慮的實際情況。

由于高性能和電源效率位列高功率機架及數(shù)據(jù)中心需求的榜首，有幾家公司正在采用三相 AC 至 48V，為服務器刀片配電。另外，也可使用機架內分配的高電壓 DC（380V，源自整流三相輸入）。多家高性能計算公司正在將 HVDC PDN 用于功率高達 100kW 的機架。

為服務器刀片供電的 PDN 轉換為 48V 時，刀片上的電源轉換也必須改變。這種轉變導致了DC-DC 轉換器與穩(wěn)壓器在架構、拓撲與封裝的多種選擇。

48V 模式對于數(shù)據(jù)中心服務器而言還很陌生，但在路由器和網(wǎng)絡交換機等通信應用中卻很普及，因為它們使用的是可充電的 48V 鉛酸備用電池系統(tǒng)。數(shù)據(jù)中心服務器中以前使用的通用架構叫中間母線架構或IBA。IBA 包括隔離式非穩(wěn)壓母線轉換器，可將 -48V 轉換為 +12V，提供給一系列多相降壓穩(wěn)壓器，用于負載點。一些云計算公司和 HPC 公司最初為其 48V 系統(tǒng)復制了這一架構，但在功率增加而 PoL 電壓降至 1V 以下時，設計人員開始尋找可替代的架構和拓撲。

電源系統(tǒng)架構、開關拓撲和封裝對于高性能高密度設計而言非常重要。隨著 AI 及 CPU 處理器電流的增加，由于穩(wěn)壓器和 PoL 之間的PDN 電阻影響，PoL處功率傳遞電路的密度成為人工智能應用中最關鍵的元素。

業(yè)界一流的最新 AI 處理器具有大約 1kA 的穩(wěn)態(tài)電流，峰值電流達 1.5kA 至 2kA?？紤]到處理器常規(guī)多相降壓穩(wěn)壓器輸出的典型 PDN 電阻在 200 至 400μΩ 之間，所帶來的 PCB 功耗為穩(wěn)態(tài) (P = I2R) 200-400W，對于任何系統(tǒng)來說，都太高了，根本無法處理。

PDN 損耗成了 DC-DC 穩(wěn)壓器設計效率及性能的主導因素。這是一個負載點問題，而且提高電壓根本不現(xiàn)實（PoL 電壓在快速下降，以維持摩爾定律的有效性），因此唯一可行的方法是減少 PDN 電阻，將穩(wěn)壓器盡量靠近處理器布置。在多相降壓穩(wěn)壓器的案例中，通常會占用 16-24 個相位，才能支持 AI 處理器的大電流。這不是一種高電流密度方案，無法解決 PDN 功耗問題。

分比式電源架構

IBA 的替代方案是 Vicor 的分比式電源架構 (FPA)，它包含前置穩(wěn)壓級 (PRM)和緊隨其后的變壓級 (VTM)。這一專有架構可優(yōu)化每個階段的性能。PRM 執(zhí)行非隔離（48V 為安全超低電壓 SELV）穩(wěn)壓。其 48V 輸入經(jīng)過嚴格穩(wěn)壓，可提供 48V 輸出，所需的 PoL 電壓在 VTM 中轉換，VTM 是一款固定比率轉換器，輸出電壓為輸入電壓的固定比例。