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供電網絡 (PDN)轉向48V的設計挑戰和好處

时间:2020-08-13     【转载】

隨著互聯網、筆記本電腦和移動電話的出現,通信網絡基礎架構已變得越來越復雜,因此 48V PDN 基礎架構必須為許多由網絡處理器陣列、存儲器和控制系統負載組成的復雜新型負載供電。這就帶來了一項挑戰,因為大量的現有技術都集中在12V,半導體轉換器及穩壓器組件都是針對12V工作電壓進行的優化。本文將討論如何解決該項挑戰?

每一款電子設備或系統都有一個由線纜、母線排、連接器、電路板銅箔電源層以及 AC 至 DC 和 DC 至 DC 轉換器及穩壓器組成的供電網絡 (PDN)?刂 PDN 性能的是其整體架構,例如對AC或DC電壓配電的使用、特定電壓電和電流等級,以及網絡需要進行電壓轉換和穩壓的時間與次數。

經過多年的發展,PDN已在很多特定行業中實現了標準化,例如國防與航空航天工業中的 270V 和 28V,通信基礎設施應用中的48V以及汽車中使用的12V PDN,這些后來都成了計算機服務器和工業應用中的標準。因此,圍繞著標準 PDN 建立起了數十億美元的產業。

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隨著各行業向48V、400V 和 800V 等最新 PDN 過渡,非傳統供電架構和技術有很多機會可顯著提高性能。

企業及高性能計算的先進系統、通信與網絡基礎設施、自動駕駛汽車以及大量交通運輸應用只是高增長行業中需要更大功率的少數幾個。隨著負載數量和負載功率不斷增加,當 PDN 基于12V 時,這些系統對實現高性能提出了復雜的設計挑戰。采用更高的電壓具有挑戰性,而且由于有 12V 長期成功的歷史經驗和應用,以及建立了幾十年的龐大供應鏈生態系統,因此拒絕改變的理由很充分。

48V 的出現

電信行業使用48V PDN已有幾十年了。48V是最好的選項,因為:

1.  它是安全超低電壓 (SELV),SELV 意味著它具有較低的電擊風險;

2.  可以用細的線纜進行遠距離電流傳輸,線壓降較;

3.  “常開”要求促使該行業使用12V鉛酸蓄電池進行串聯提供 48V電壓。

隨著互聯網、筆記本電腦和移動電話的出現,通信網絡基礎架構已變得越來越復雜,因此 48V PDN 基礎架構必須為許多由網絡處理器陣列、存儲器和控制系統負載組成的復雜新型負載供電。這就帶來了一項挑戰,因為大量的現有技術都集中在12V,半導體轉換器及穩壓器組件都是針對 12V 工作電壓進行的優化。

為解決這個 48V 至 12V 問題,一種名為中間母線的架構(IBA)被部署起來,并迅速成為通信及網絡基礎架構應用中的事實標準。中間母線轉換器 (IBC) 是隔離式非穩壓固定比率 (1/4) 轉換器,由幾家公司聯合開發,采用符合 DOSA 和 POLA 引腳輸出標準的開放式框架封裝,可實現多源輸出。

IBA屬于安全低電壓,因此安規上并不要求隔離。為了避免電極腐蝕,將電池的正極接地,從而產生了-48V電壓。而通過隔離型IBC, 可以將-48V總線電壓轉換為+12V,為下游的負載供電。將隔離式固定比率母線轉換器用作 DC-DC 變壓器,隨后使用 a-ve 48V 輸入為下游負載點 (PoL) 穩壓器提供 +12V 輸出。

數據中心的人工智能 (AI) 等高級應用正在推動數據中心從 12V 轉向 48V PDN 并從 IBA 轉向新的架構。處理器及相關服務器機架功率級的顯著提升已輕松超過了 12V 和 IBA 所能達到的水平。

對于汽車市場而言,滿足要求降低汽車 CO2 排放的立法和新標準的需求,是探索汽車電氣化的催化劑。這催生了48V電池,以支持全新輕度混合動力系統、安全及娛樂系統設計。

更高電壓的全新 PDN

隨著更高系統功率需求的出現,基于 380V 和 48V 的 PDN 現已變得更加復雜,因為許多行業仍試圖在負載點保留原有的 12V PDN 基礎架構。其它 PDN 挑戰來自新的大功率電源電源,如純電動 (EV) 汽車及高性能汽車中的 800V 電池等。

在這些新系統及新應用中,供電可分為三個基本部分:

1.  大功率電源轉換為 48V;

2.  中間母線在48V下供電,然后進行轉換,有時候會穩壓至 12V;

3.  負載點電源從12V或者48V電壓進行轉換,為負載供電。

大功率電源

大功率電源轉換為中間 48V PDN 的創新機會主要看以下幾個方面:

1.  實現更高功率密度;

2.  使用模塊化方法實現冗余及可擴展性;

3.  通過散熱良好的平面封裝實現高級散熱技術;

4.  采用高效率的固定比率轉換器,由下游組件實現穩壓功能。

隨著功率級的不斷提高,大功率電源系統設計的挑戰現已變得越來越復雜。管理大功率電源轉換器的尺寸和重量,并針對高功耗進行散熱,是大多數應用關注的主要方面。如果尺寸和重量不是問題,就可實現非常高的效率并可通過風扇散熱實現熱管理。

然而,大多數應用都在要求提高功率密度。電源系統工程師應該考慮使用電源模塊設計和構建這些大功率轉換器的優勢,而不是從頭構建分立式設計。電源模塊與創新架構、拓撲、控制系統及封裝相結合,可提供改善大功率 PDN 性能的新方法。

如果大功率源為 AC 或高壓 DC,則需要隔離。在任何轉換器中,隔離級都會增加功耗,但如果中間母線 PDN 包含 PoL 級(即 48V 至 12V)的穩壓,則可能不需要穩壓。這種方法有兩個考慮因素:

1.  電源的輸入范圍(固定比率轉換器會根據其匝數比或 K 因數將該輸入電壓反映至輸出,就像變壓器一樣)和下游轉換器/穩壓器的輸入電壓范圍。

2.  對于三相 AC 電源,系統是否需要功率因數校正 (PFC)。

數據中心和百億億次計算通常需要在有限的空間內獲得最大的處理能力,因此它們從高密度組件及先進的散熱技術中獲得了極大的優勢。在某些情況下,完全浸入式散熱是將整個服務器部署在一個氟惰性溶液槽中。另外,其它高性能計算應用也在開發利用熱導管和冷卻板散熱技術。在這些應用中,大功率電源系統的電源轉換及穩壓級都需要纖薄的平面封裝。

中間母線及負載點供電的創新

要為48V中間母線 PDN 實現創新,主要看以下幾個方面:

1.  利用非隔離固定比率母線轉換器實現 48V 至 12V 的轉換;

2.  部署高功率密度的穩壓電源模塊轉換器;

3.  整合比 IBA 性能高的架構:分比式電源架構 (FPA)。

從12V 中間母線 PDN 過渡到 48V PDN,既有挑戰,也有優勢。最大限度提升盡可能接近 PoL 穩壓器的 48V 供電,將減少線纜、連接器和 PCB 銅箔電源層、尺寸、重量以及成本。PoL 空間限制一般都存在問題,因此轉換器必須具備高功率密度和高效率。只要 PoL 穩壓器可以處理其輸入端電壓變化(等于母線轉換器的電壓輸入范圍除以匝數比或 K 因數 (VIN / K = VOUT)),非隔離式固定比率母線轉換器就是最好的選項。如果大功率電源轉換器設計有合理的穩壓公差,那么這種設計方法不僅可行,而且很有優勢。

有些設計中大功率電源轉換器或大容量電源(如 48V 電池)具有寬輸出電壓范圍,則可能需要根據 PoL 穩壓器輸入電壓規格使用穩壓 DC -DC 轉換器。在 48V 至 12V 階段增加穩壓,可能會將轉換器效率降低 2% 到 4%,具體要看拓撲。

為了真正推動 PDN 設計發展,顯著提高 PoL 的性能和高電流密度,我們需要考慮一種全新的架構,那就是Vicor分比式電源架構 (FPA)。在FPA中, 有一種名為電流倍增器的新型轉換器,其不僅可高效率、高密度地直接將 48V 轉換為負載電壓,而且還可部署在離負載很近的位置。這在大電流應用中很有優勢,因為它可降低轉換器至負載之間的 PDN 阻抗,該阻抗不僅造成了高的導通損耗,也會影響負載的di/dt瞬態性能。

電流倍增器是固定比率轉換器,因此需要一個上游穩壓級來完成 FPA 設計。為了在最小化功耗的同時,最大限度提高效率和密度,穩壓器模塊的工作輸入和輸出電壓均設置為 48V,所選的電流倍增器 K 因數可為負載提供所需的輸出電壓。

隨著許多行業功率等級的提升,采用更高電壓的PDN可減少挑戰,但也會增加復雜性。電源系統工程師應該評估來自新供應商的新拓撲和架構,以實現顯著的系統性能優勢。發展、進步及創新總是需要新思維、新理念和新方法。當您的業務需求變革時,要接受一切可能。探索和研究備選方案,在很多方面都是值得的。

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