采用兩級電源架構方案提升 48V 配電系統功率密度和數據中心能效

作者：Qian Ouyang, Rohan Samsi 和 Jinghai Zhou

翻譯：Zhenzhen "Toffee" Jia

當前的數據中心，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 降壓調節器，方可將電壓降到 1V 左右。正常情況下，這些數據中心機架的額定功率最大為 20kW。而業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據中心的功率密度呢？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

隨著用戶對數據中心的需求越來越大，提高數據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，這種限制由次優的配電網絡導致而成。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模，對大多數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 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 網絡的一部分，更易實現功能性隔離，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功率輸出的功能進行調節，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。非穩壓可變 5-8V 電壓也可由 5-8V 穩壓代替，不會對整個系統造成任何干擾，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。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調節器（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，在保證數據中心成本和尺寸不變的同時，可實現每機架100kW的功率密度。

審核編輯 黃宇