【導(dǎo)讀】將54 V電壓轉(zhuǎn)換為合適的12 V電壓是一項頗具挑戰(zhàn)性的任務(wù)，需要新型轉(zhuǎn)換器拓?fù)鋪黹_發(fā)改良的高性能電源。此外，為了適應(yīng)最新的數(shù)據(jù)中心和超大規(guī)模架構(gòu)，尺寸必須很小，因此1/4磚的小尺寸規(guī)格是理想選擇。本文將探討ADI公司的參考設(shè)計如何解決效率、功率損耗、散熱、通用封裝設(shè)計等關(guān)鍵問題，從而在同類產(chǎn)品中脫穎而出。另外，還會討論這些優(yōu)勢對系統(tǒng)應(yīng)用的積極影響。
簡介
在數(shù)字信息盛行、社交互動頻繁的當(dāng)今時代，設(shè)計精良且運作高效的數(shù)據(jù)中心顯得尤為重要。我們所依賴的網(wǎng)絡(luò)、存儲和全球互聯(lián)服務(wù)都由數(shù)據(jù)中心來提供。讓數(shù)據(jù)中心保持平穩(wěn)運行，對于避免數(shù)據(jù)中斷和損壞至關(guān)重要。然而，市場對算力的需求不斷攀升，數(shù)據(jù)中心的使用量每年都在快速增長，老舊的數(shù)據(jù)中心已經(jīng)不堪重負(fù)，快要接近運營負(fù)荷的極限。例如，在人工智能(AI)領(lǐng)域，大語言模型的周活躍用戶數(shù)在不到一年的時間里就翻了一番。相應(yīng)地，市場對更高功率密度的需求也日益增長，進而需要更穩(wěn)健和高性能的電源轉(zhuǎn)換器。
為了支持更加強大的服務(wù)器、網(wǎng)絡(luò)設(shè)備和存儲系統(tǒng)，數(shù)據(jù)中心不斷擴展，電力需求持續(xù)上升，從輸電線路到機架內(nèi)部的可用直流電壓，涉及多級電源轉(zhuǎn)換。在數(shù)據(jù)中心內(nèi)，傳統(tǒng)架構(gòu)通常將整流后的交流電壓轉(zhuǎn)換為12 V DC，作為主板內(nèi)部的主要電源。然而，12 V DC架構(gòu)效率低下的問題日益凸顯，無法滿足電路板內(nèi)的主電源供電需求。若將輸入電壓提高到48 V，則PCB兩端的I2R損耗最多可降為原來的1/16，轉(zhuǎn)換損耗將大幅降低，而且48 V電壓仍屬于安全特低電壓(SELV)。
因此，中間總線轉(zhuǎn)換器是現(xiàn)代數(shù)據(jù)中心電源架構(gòu)中的關(guān)鍵器件，它將主電源（如UPS不間斷電源）提供的48 V電壓總線轉(zhuǎn)換為現(xiàn)有的中間總線電壓（5 V、12 V架構(gòu)）和負(fù)載點(POL)穩(wěn)壓器的輸入電壓。這種電源被稱為中間總線轉(zhuǎn)換器(IBC)。IBC有多種功率容量和尺寸，其中一種常見的類型是1/4磚(QB)電源。
1/4磚電源(QB PS)是一種緊湊、高效的DC-DC轉(zhuǎn)換器模塊，在現(xiàn)代電源系統(tǒng)中扮演著至關(guān)重要的角色。它將高壓直流輸入轉(zhuǎn)換為相對較低的電壓，從而為主板內(nèi)部的各種外設(shè)和核心處理器供電?！?/4磚”是指這種電源的形狀小巧，且呈矩形。此類電源通常占用大約58.4 mm × 36.8 mm（2.3英寸× 1.45英寸）的PCB面積，高度通常約為14.5 mm（0.57英寸）。QB PS雖然尺寸小巧，但效率很高，并且可以輕松集成到現(xiàn)有電源系統(tǒng)中。
此類電源廣泛應(yīng)用于數(shù)據(jù)中心，因其尺寸小和效率高的特點，成為服務(wù)器機架、網(wǎng)絡(luò)交換機、通風(fēng)系統(tǒng)、整流器和備用電池的理想選擇。憑借多功能性和出色的可靠性，QB電源是滿足現(xiàn)代電子基礎(chǔ)架構(gòu)電源需求的理想解決方案。QB電源的輸入電壓范圍通常為40 V至60 V，也有一些型號支持其他的輸入電壓范圍。此類電源利用開關(guān)技術(shù)，高效地將輸入電壓調(diào)節(jié)和轉(zhuǎn)換為較低的穩(wěn)定輸出電壓，通常為9 V至16 V。輸出電壓可以根據(jù)具體需求而變化。
1/4磚電源的主要特性通常包括：
高效率
此類電源能夠使轉(zhuǎn)換效率最大化。轉(zhuǎn)換損耗應(yīng)低于傳統(tǒng)12 V DC架構(gòu)的I2R損耗。
寬輸入電壓范圍
此類電源可以接受寬范圍的輸入電壓，因而與各種電源兼容。典型的標(biāo)稱輸入電壓范圍在48 VDC至54 VDC之間，擴展范圍為40 V DC到60 V DC。
保護機制
此類電源具有過壓保護、過流保護、短路保護和熱關(guān)斷等保護特性，可以保護電源和相連設(shè)備。
散熱管理
高效散熱是保障可靠運行的關(guān)鍵。QB電源通常內(nèi)置散熱管理功能，比如利用散熱器或集成風(fēng)扇來調(diào)節(jié)溫度。
遠(yuǎn)程檢測
某些型號支持遠(yuǎn)程檢測，可補償輸出線纜造成的電壓降，確保負(fù)載獲得精確穩(wěn)定的電壓。
PMBus?和高級控制功能
許多QB電源提供高級控制功能，例如電壓微調(diào)、遠(yuǎn)程開/關(guān)控制、與其他電源模塊進行同步等。
可擴展性
QB電源應(yīng)當(dāng)易于擴展，即只需對電路進行少量改動就能實現(xiàn)擴展。而且，QB電源可以配置為并聯(lián)操作以滿足不同的功率需求，并且可以處理預(yù)偏置啟動，以實現(xiàn)熱插拔功能。
選擇QB電源時，必須考慮多種因素，例如輸入/輸出電壓要求、負(fù)載電流、效率、工作溫度范圍、適用于目標(biāo)應(yīng)用的特定行業(yè)認(rèn)證或標(biāo)準(zhǔn)等。而QB參考設(shè)計具備了所有這些特性，適合需要穩(wěn)定高效供電的高要求應(yīng)用。
QB電源的關(guān)鍵組成部分包括輸入濾波器、輸出濾波器、一些反饋控制電路以及保護機制，其中保護機制可以包含在控制器或電源管理IC (PMIC)中。參見圖1。
圖1.ADI1/4磚PSU框圖。
QB電源的優(yōu)勢
小尺寸
QB電源的主要優(yōu)勢之一是其外形緊湊，因而在尺寸受限的應(yīng)用中，它能使空間得到有效利用。
高功率密度
QB電源盡管體積很小，但具有高功率密度，能夠提供相當(dāng)大的功率輸出。
效率
隨著電源轉(zhuǎn)換技術(shù)的進步，QB電源實現(xiàn)了高效率水平，減少了能量浪費，并盡可能降低了發(fā)熱量。
散熱管理
QB電源通常注重散熱管理設(shè)計，例如采用可加裝散熱器的扁平基板，以確保在具有挑戰(zhàn)性的熱環(huán)境中實現(xiàn)理想的運行性能和可靠性。
圖2.將SS和ISHARE引腳相連，LTC7822 QB電源便可實現(xiàn)并聯(lián)。
可靠性和耐用性
此類電源的設(shè)計符合嚴(yán)格的行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)，即使在惡劣的工作條件下也能確保長久的可靠性和耐用性。
供應(yīng)鏈韌性
不同廠商的QB電源引腳采用通用封裝(CFP)，因而相互兼容，由此確保了生產(chǎn)供應(yīng)鏈的韌性，出現(xiàn)故障時也便于提供售后支持。
基于LTC7822的QB電源的主要特性
寬輸入電壓范圍
QBM電源通常支持寬輸入電壓范圍，能夠與各種電源兼容。
輸出電壓調(diào)節(jié)
此類電源提供精確穩(wěn)定的輸出電壓調(diào)節(jié)能力，確保在不同負(fù)載條件下保持性能一致。
高功率密度
此類電源的拓?fù)渫ㄟ^增加一個開關(guān)電容部分將輸入電壓減半，從本質(zhì)上縮小了電感的尺寸。
可擴展
此類電源的拓?fù)涫且环N電流模式電源，將軟啟動引腳和補償引腳相連，即可輕松實現(xiàn)并聯(lián)。這種拓?fù)浣档土瞬⒙?lián)操作的復(fù)雜性。圖2顯示了各個QB并聯(lián)的示例。
保護機制
QBM電源集成了過壓保護(OVP)、過流保護(OCP)、短路保護(SCP)和熱關(guān)斷等保護特性，能夠防范電氣故障并防止相連設(shè)備受損。
可靠性
由于存在電容分壓結(jié)構(gòu)，這種拓?fù)渥陨砭湍軌虮Ｗo任何下一級下游轉(zhuǎn)換器免受直流高電壓的影響。即使最頂部的FET失效，也會形成分壓結(jié)構(gòu)，以防止下游轉(zhuǎn)換器發(fā)生故障。
采用QB拓?fù)涞幕旌限D(zhuǎn)換器
QB電源是一種DC-DC轉(zhuǎn)換器，可將40 V至60 V的輸入電壓轉(zhuǎn)換為12 V的穩(wěn)定輸出電壓。這種設(shè)計利用了一種復(fù)雜的架構(gòu)，結(jié)合了軟開關(guān)電荷泵分壓器和同步降壓(buck)轉(zhuǎn)換器拓?fù)洹＼涢_關(guān)電荷泵會以非常低的轉(zhuǎn)換損耗將輸入電壓減半，因此降壓部分僅需在VIN/2電平（即MID引腳電壓）下進行硬開關(guān)操作（圖3）。通過這種方式，可以實現(xiàn)高效的電源轉(zhuǎn)換，并縮小輸出端電感。此方案的代價是須將一個電容用作另一個儲能元件，但通過優(yōu)化額定值和尺寸，混合轉(zhuǎn)換器性能可以超越市面上的大多數(shù)常規(guī)拓?fù)?。本文將討論混合轉(zhuǎn)換器作為一種高效拓?fù)涞脑蚣捌涔ぷ髟怼?/p>
圖3.飛跨電容和中間電容兩端的電壓。
對于1/4磚應(yīng)用，混合轉(zhuǎn)換器在功率傳輸和功率密度之間取得了良好的平衡。典型的固定比率開關(guān)電容在高功率密度和低輸出功率水平下非常高效。例如，LTC7820在28 mm × 28 mm PCB面積上進行48 V至24 V轉(zhuǎn)換時，效率高達99%（圖4）。然而，這種設(shè)計只能支持大約300 W到600 W的輸出功率。
要在不降低效率的情況下實現(xiàn)更高的輸出功率，需要考慮再并聯(lián)一個開關(guān)電容轉(zhuǎn)換器和更多的陶瓷電容，因而需要更大的PCB面積。這會極大地影響功率密度，并且24 V至12 V DC轉(zhuǎn)換需要第二級電路。為此，我們可以采用另一種開關(guān)電容拓?fù)?，利用Dickson轉(zhuǎn)換器來實現(xiàn)單級4:1降壓比。此拓?fù)湫枰玫筋~外的開關(guān)，但也存在同樣的問題，即超過600 W時需要更多陶瓷電容，當(dāng)應(yīng)用需要更大輸出電流時會影響可擴展性。
圖4.采用LTC7820的48 VIN至24 VOUT、20 A開關(guān)電容轉(zhuǎn)換器。
穩(wěn)壓混合轉(zhuǎn)換器是更適合1 kW功率級別的拓?fù)?，因為它能在有限的PCB面積下提供更高輸出電流。開關(guān)電容部分將轉(zhuǎn)換主輸入電壓線，而不處理大部分電流轉(zhuǎn)換。主輸出電流轉(zhuǎn)換由降壓部分承擔(dān)，飛跨電容尺寸和電感尺寸得以減小。對于1/4磚外形，固定尺寸為58.4 mm × 36.8 mm，因而PCB面積至關(guān)重要。圖5顯示了1/4磚尺寸的四相混合轉(zhuǎn)換器的參考元件布置。
LTC7822是一款高性能、兩相混合式降壓DC-DC控制器，專為高密度電源應(yīng)用而設(shè)計。它所采用的拓?fù)淙鐖D6所示，包含兩相，但大大減少了每瓦所需的電容元件數(shù)，因為一相的飛跨電容身兼兩職：(1) 用作其互補相的電容分壓器，(2) 用作其自身相的主儲能元件之一。如此一來，每相所需的中間電容數(shù)量大大減少。這款器件的單芯片功率輸出可達1 kW，大于相同面積下任何典型開關(guān)電容拓?fù)涞妮敵龉β省?/p>
圖5.四相2 kW混合轉(zhuǎn)換器，采用LTC7822以適應(yīng)1/4磚PCB面積。
圖6.CFLY1和CFLY2充當(dāng)電容分壓器。
當(dāng)奇數(shù)FET（M1、M3、M5、M7）導(dǎo)通時，互補FET（M2、M4、M6、M8）關(guān)斷。在開關(guān)切換過程中，CFLY1由輸入電壓供電，并通過VMID節(jié)點與CFLY2串聯(lián)。這兩個飛跨電容應(yīng)具有相同的容值，以確保平均電壓相等，從而降低電荷再分配時電流尖峰造成的損耗。
謹(jǐn)慎選擇MOSFET也很重要，務(wù)必確保底部FET（M4、M8）在安全工作區(qū)域(SoA)內(nèi)工作。由于兩個網(wǎng)狀電流通過公共MID節(jié)點共享，底部FET所承受的最大電流約為平均相電流的1.5倍。舉個例子：L2斷電時，電流將流過M5。但是，CFLY2也通過M3向L1提供部分能量，因此其返回路徑也將經(jīng)過M5。電流流向參見圖7。
圖7. i1 + i2 = i3，i1 = i2M5接收的電流是其相電流的1.5倍。
中間總線轉(zhuǎn)換器中的耦合電感
耦合電感具有整數(shù)比轉(zhuǎn)換特性，因此是中間總線應(yīng)用中與混合轉(zhuǎn)換器配合使用的另一種優(yōu)秀技術(shù)。對于兩相耦合電感設(shè)計，48 V至12 V轉(zhuǎn)換的占空比為50%，使得降壓部分工作在陷波頻率下。即使對于更寬的40V至60V（典型）輸入電壓范圍，用耦合電感代替分立電感(DL)仍能獲益。圖8顯示了不同相數(shù)的分立電感和耦合電感的歸一化電流紋波比較。
圖8.對于給定的耦合系數(shù)Lm/Lk，歸一化電流紋波與占空比的關(guān)系。
如圖8所示，對于兩相耦合電感設(shè)計，電流紋波在50%占空比時最小。請注意，在不同占空比下，耦合電感的優(yōu)勢并不相同。相數(shù)不同，電流紋波降幅最大化的陷波位置也不同。因此，對于1/4磚設(shè)計，考慮輸入電壓范圍和目標(biāo)輸出電壓非常重要。例如，降壓比為4:1的混合轉(zhuǎn)換器應(yīng)使用兩相設(shè)計，以使耦合電感的電流紋波降幅最大化，但降壓比為8:1時，由于25%占空比下的陷波，設(shè)計人員可能需要考慮使用單個四相耦合電感設(shè)計。圖9為單個四相耦合電感的示例。
圖9.單通道四相耦合電感，與四相混合轉(zhuǎn)換器配合使用時，可實現(xiàn)48 V至6 V轉(zhuǎn)換。
在1/4磚設(shè)計中使用耦合電感，最重要的影響在于，能在保持效率的同時，使磁元件的尺寸顯著減小。如此一來，混合轉(zhuǎn)換器不僅能夠適應(yīng)1/4磚面積，而且仍能以具有競爭力的效率提供非常高的輸出功率。
1/4磚電源應(yīng)用
QB電源在各行各業(yè)都有應(yīng)用，包括以下領(lǐng)域。
它常用于電信基礎(chǔ)設(shè)施、數(shù)據(jù)中心和網(wǎng)絡(luò)設(shè)備，為通信系統(tǒng)和網(wǎng)絡(luò)交換機供電。
QB電源適用于工業(yè)自動化應(yīng)用，如電機驅(qū)動器、機器人和控制系統(tǒng)。
使用基于混合轉(zhuǎn)換器的1/4磚電源，可以實現(xiàn)不同的輸出電壓降壓比。借助ADI公司的分立1/4磚參考設(shè)計，可以更輕松地使用多個耦合電感來評估最多兩種輸出電壓電平，或?qū)⑺鼈儾⒙?lián)起來以測試是否滿足更高輸出電流要求。圖10顯示了1/4磚部分。
圖10.ADI分立1/4磚參考設(shè)計。
結(jié)語
面對日益增長的算力需求，尤其是隨著人工智能的快速增長，傳統(tǒng)數(shù)據(jù)中心已難以滿足需求。為了應(yīng)對此類挑戰(zhàn)，現(xiàn)代數(shù)據(jù)中心開始采用功率密度更高的新設(shè)計，例如48 V架構(gòu)。與傳統(tǒng)的12 V架構(gòu)相比，新架構(gòu)的功率損耗顯著降低。在這一轉(zhuǎn)變中，起關(guān)鍵作用的器件是中間總線轉(zhuǎn)換器，具體而言就是1/4磚電源。為將高壓直流輸入轉(zhuǎn)換為各種外設(shè)和核心處理器所需的較低電壓，此類緊湊、高效的DC-DC轉(zhuǎn)換器必不可少。
QB電源是精簡的高性能電源解決方案，適合多種應(yīng)用。此類電源以緊湊的設(shè)計、高能效和出色的可靠性而聞名，擁有優(yōu)越的功率密度、精準(zhǔn)的電壓調(diào)節(jié)能力和先進的保護特性，是眾多行業(yè)不可或缺的重要器件。QB電源能夠盡可能提高空間利用率，確?？煽窟\行，并滿足現(xiàn)代電子基礎(chǔ)架構(gòu)的供電需求。
ADI公司的混合轉(zhuǎn)換器及最新的LTC7822，在為數(shù)據(jù)中心供電方面具有顯著優(yōu)勢，不僅效率高、性能穩(wěn)健，而且具備先進的控制特性。憑借優(yōu)化的緊湊外形，并結(jié)合耦合電感，LTC7822成為高功率應(yīng)用領(lǐng)域中頗具競爭力的拓?fù)浞桨?。增強的可靠性和更低的運行成本，使之成為數(shù)據(jù)中心實現(xiàn)高效、可靠電源管理的理想之選。
本系列的下一部分將介紹基于LTC7822的1/4磚電源的全面評估，展示收集到的電氣和散熱性能數(shù)據(jù)，并討論如何為高功率應(yīng)用選擇合適的元器件。
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Samuel Webb、Yan-Fei Liu，“A Novel Intermediate Bus Converter Topology for Cutting Edge Data Center Applications”，《中國電氣工程學(xué)報》，第6卷第4期，2020年12月。
作者簡介
Karl Audison Cabas自2020年9月起擔(dān)任ADI公司的應(yīng)用工程師，專注于電源應(yīng)用方面的工作。他擁有菲律賓理工大學(xué)電子工程學(xué)士學(xué)位和瑪布亞大學(xué)電力電子碩士學(xué)位。他在DC-DC電源轉(zhuǎn)換器方面擁有4年多的經(jīng)驗。他之前的職責(zé)是處理客戶問詢以及與DC-DC轉(zhuǎn)換器相關(guān)的設(shè)計問題。他目前擔(dān)任云和數(shù)據(jù)中心應(yīng)用的電源系統(tǒng)應(yīng)用工程師。
Christian Cruz是ADI菲律賓公司的資深應(yīng)用開發(fā)工程師。他擁有菲律賓馬尼拉東方大學(xué)的電子工程學(xué)士學(xué)位。他在模擬和數(shù)字設(shè)計、固件設(shè)計和電力電子領(lǐng)域擁有超過12年的工程經(jīng)驗，包括電源管理IC開發(fā)以及AC-DC和DC-DC電源轉(zhuǎn)換。他于2020年加入ADI公司，目前負(fù)責(zé)支持基于云的計算和系統(tǒng)通信應(yīng)用的電源管理需求。
