簡化數據中心的48V至12V電源轉換

數據中心消耗的大量電力推動了從12V到48V服務器機架架構的過渡。該設計解決方案回顧了高效為48V服務器機架中的各種電子負載供電所需的不同拓撲。然后，本文重點介紹PCIE和HDD等外設，需要穩壓良好的12V電源軌，并提出了一種多相、交錯式、耦合電感的48V至12V降壓轉換器解決方案，該解決方案緊湊、高效且經濟高效。

介紹

容量達數百兆瓦的超大規模數據中心需要高效的電力輸送，超出了傳統12V供電舊服務器主板的能力。這樣的數據中心（圖1）的電源使用效率（PUE）最多為1.1，將其10%的功率（數十兆瓦）浪費在冷卻和開銷上。這種浪費的電力可以舒適地為一個擁有大約10，000戶家庭的小城市供電。從 12V 電源轉向 48V 電源帶來了幾個優勢。由于電流 （4x）、銅損 （16x） 和連接器/母線尺寸減小，服務器機架在散熱、尺寸和成本方面都變得更加高效。在此設計解決方案中，我們回顧了現代數據中心的電源管理架構，概述了為處理器、存儲器和外設等不同類別的負載供電的不同策略。最后，我們將重點縮小到需要 12V 電源軌的 PCIE 和 HDD 等外設，并提出了一種多相、交錯、基于耦合電感的 48V 至 12V 降壓轉換器解決方案，該解決方案緊湊、高效且具有成本效益。

48V 服務器架構

圖 2 顯示了 48V 服務器架構。為存儲器和微處理器等低壓（<1.8V）高電流負載供電的最佳策略是將48V降至未穩壓的12V電源軌。開環、非穩壓 4：1 開關儲罐轉換器 （STC） 拓撲可實現軟開關操作，峰值效率在 98% 至 99% 范圍內。從這里開始，高效的12V VR轉換器為各種負載供電。

PCIE 和 HDD 等外設需要一個 12V 電源軌和高達 100A （1.2kW） 的電流。在這種情況下，需要48V至12V穩壓交錯式多相DC-DC轉換器。

圖2.48V 服務器架構。

四相 100A 直流-直流轉換器

四相交錯式DC-DC轉換器可確保紋波電流，因此與單相相比，紋波電壓降低。較低的輸出電流紋波和電壓紋波意味著輸出端需要的電容器更少，從而減小了BOM。四相架構還需要較少的輸入電容?？傒斎腚娏魇撬膫€異相電流之和。在這里，與單相操作相比，隨著時間的推移分散總輸入電流會降低輸入電流的總RMS值。這允許使用更小的輸入電流紋波濾波器。四相轉換器的另一大優點是負載階躍期間的快速瞬態響應和更低的電壓過沖/下沖。反過來，這意味著為電子負載供電的電壓軌可以更緊，留給瞬態下降的裕量更小，從而減少負載處的功耗。

在這種大電流應用中，必須擠出最后一個百分點的效率，另一張牌是耦合電感，其中電感纏繞在公共磁芯上。在這里，繞組方向使得磁通量抵消，與四個非耦合電感相比，紋波電流不到四分之一。極低的紋波電流可實現最小的 BOM 和最高的效率。

48V 至 12V 直流至直流控制器

例如，8V至60V MAX15157B固定頻率、精確電流報告、電流模式PWM控制器（圖3）驅動兩個降壓配置的功率MOSFET，允許穩壓器作為48V至12V降壓穩壓器工作。四個 IC 與外部分立式 MOSFET、電容器和單個耦合電感器交錯在一起，以實現多相操作。

圖3.單相直流-直流轉換器。

開關頻率可通過設置內部振蕩器頻率的外部電阻器或將穩壓器同步至外部時鐘來控制。該器件設計用于支持 120kHz 至 1MHz 開關頻率。每個IC均采用5mm x 5mm、32引腳TQFN封裝，支持-40°C至+125°C結溫范圍。

1.2kW四分之一磚密度解決方案

在四相耦合電感配置中，該解決方案具有出色的97.9%峰值和97.43%滿載效率（12V、100A、1.2kW），如圖4所示。

圖4.四相效率曲線。

顯示了帶耦合電感的48V至12VPCB解決方案。該解決方案可輕松嵌入主板上。它在PCB一側產生1/4磚尺寸，在兩個PCB側產生1/8磚尺寸。

結論

能源效率正在推動數據中心向48V架構發展。與 12V 相比，由于電流、銅損和連接器/母線尺寸減小，48V 服務器機架在散熱、尺寸和成本方面都更有效。數據中心服務器微處理器和存儲器最好由前端無調節的高效階段提供服務，然后是針對特定負載量身定制的VR。我們將此實現的細節留到另一天。PCIE 和 HDD 需要一個 12V 電源軌，最好采用基于多相、交錯、耦合電感的 48V 至 12V 降壓轉換器拓撲。為此，我們介紹了MAX15157B降壓轉換器構建模塊。四個交錯式 IC 以及相關的分立式 MOSFET、電容器和單個耦合電感器，可提供緊湊的 100A、1.2kW 解決方案，滿負載時具有出色的 97.9% 峰值和 97.43% 的效率。這樣的效率水平為在不遠的將來接近統一的電源使用效率提供了一條途徑。

審核編輯：郭婷