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采用两级电源架构方案提升48V配电系统功率密度和数据中心能效

发布时间:2020-06-03 来源:Qian Ouyang, Rohan Samsi 和 Jinghai Zhou 责任编辑:wenwei

【导读】当前的数据中心,通常仍需要一个 12V 背板以及板上配电功能,并采用单相或多相同步 Buck 降压调节器,方可将电压降到 1V 左右。正常情况下,这些数据中心机架的额定功率最大为 20kW。而业内的需求是希望将每个机架的功率密度能提高到100kW,从而减少整体尺寸。
 
其实,完全可以通过使用 48V 背板和配电来实现这一需求,然而这种方法却存在诸多挑战,因为它无法依靠传统同步 Buck 降压调节器将48V 电压驱动至电路板。那么,还有什么其他办法可以在不增加成本的前提下提高数据中心的功率密度呢?本文概述了一种两级架构解决方案——以一种灵活的、可调节的、高性价比方式,将 48V 电压驱动至负载点(POL,大约 1-5V),这对于下一代服务器功率传输将大有裨益。
 
方案
 
随着用户对数据中心的需求越来越大,提高数据中心尺寸和密度也变得迫在眉睫。其中关键制约因素是服务器每个机架的功率限制大约只有20kW,这种限制由次优的配电网络导致而成。由于大部分芯层和背板工作在 12V,需要大量覆铜来限制每个机架的功率。对此,开放计算项目(OCP)和谷歌已经提出了将工作电压提高到 48V的解决方案,能将每个机架的安装容量提高到每架 50-100kW。然而这种架构尚未成功的至关因素是缺乏下游解决方案。(也就是说:需将 48V 电压驱动至电路板上安装的负载点(POL),包括处理器,内存条,和其他 ASICs 专用集成电路)。
 
同时也有人提出了几种不同的方法来解决 48V 输入到负载点(POL)的配电问题——需要克服的主要挑战包括可调性、成本、效率和尺寸问题。
 
可调性和成本
 
首先,很难将 48V 电压分配到各个负载点,包括用于电源的小电流,例如 USB 和 VGA 端口,这些端口在 2-5V 时通常每个会消耗几百毫安的电流;再包括处理器,这些处理器在接近 1V 时会消耗几百安培的电流。也有一些可行的解决方案,如通过精确地调节中间母线和使用 DC/DC 变压器进行最终降压,将电压直接从 48V 驱动到负载电压(1-5V)。
 
这些解决方案对于大电流电源应用是很有效,但是它们都难以缩小规模,对大多数小电流电源来说非常昂贵,甚至对于大电流电源来说成本效益也不够高。因此,有人提出了另一种解决方案:使用氮化镓 (GaN) 来解决此难题,采用一种简单的同步降压解决方案来完成直接的电压转换。当然,如果成本和大批量生产变得可行时,它们的确具有广大的市场前景,但就目前看来依旧遥遥无期。
 
效率和尺寸
 
为了适应当前服务器板的要求,电路板解决方案必须同时满足高效率和小尺寸。48V 至 1V 的转换效率至少在 93% 及以上,因为对于 12V-1V 的电压转换,目前最先进的转换效率为95%。再加上工业标准机架和插入背板的配电板尺寸限制,48V-1V 转换器尺寸不得大于 12V-1V 转换器尺寸。
 
解决方案
 
本文提出的 48V 至低压配电解决方案为一种两级转换方案,相比于既有的数据中心解决方案,具有更高效率、更低成本和可调性优势。
 
第一级
 
首先将VIN 电源 (48V)分布至整个板上,然后降压至可变的中间电压值,通常为 5-8V。在 CPU 和存储电源群集中生成 5-8V 可变电压,由独立转换器生成其他配电功率(总计约 50W)。中间浮动电源可确保完全的软开关,使用半桥、谐振、LLC 变换器能实现 98% 的峰值效率。由于输入电压低于 60V,所以无需隔离。采用变压器代替电感作为 LLC 网络的一部分,更易实现功能性隔离,同时有助于电压从 48V 降至 5-8V。这一解决方案的基本理念是模块化第一级解决方案(见图1)。
 
采用两级电源架构方案提升48V配电系统功率密度和数据中心能效
图1:第一级模块前视图
 
第一级模块可以根据功率输出的功能进行调节,但是对于典型单处理器服务器,仅需2种模块即可。第一级的另一个独特之处为多源极。当市场上诸如 GaN 之类的技术开始普及时,可以在不影响下游解决方案的情况下无缝更换这些模块。非稳压可变 5-8V 电压也可由 5-8V 稳压代替,不会对整个系统造成任何干扰,从而可以保持互操作性。
 
第二级
 
第二级完全取决于所分配的电源。在1毫安负载情况下,第二级就像使用线性低压差(LDO)调节器一样简单。随着功率级的提高,第二级可以充分利用单相同步降压调节器。随着输入电压的下降,低占空比率的要求也随之减少,并且还可以优化场效应管(FET)和效率,减少损耗。与典型的 12V 电源相比,此种通过减少高击穿电压 FET 需求的解决方案,不仅可以降低元器件的成本,还可以从效率上改善它们的品质因数。而针对处理器和存储器中更高的电流解决方案,可采用多相交错并联调节器(见图2)。
 
随着输入电压的降低,这些多相变换器的峰值效率可高达约97%。得益于大部分变换器中前馈控制的改善,浮动输入电压(5-8V,第一级输出)也变得更易处理。由于使用了更小尺寸的电感和更少的电容,高频变换器的尺寸也变得更小。
 
采用两级电源架构方案提升48V配电系统功率密度和数据中心能效
图2:第二级
 
总结/结论
 
该解决方案的总效率约为 95%,超过了 48V-1V 转换 93% 的目标效率,可匹敌最先进的12V-1V转换效率。因为模块可以竖直贴装,所以不会增加电路板的尺寸。第二级尺寸减小的后续增益对应了第一级尺寸的增加。第二级变换器的灵活使用和第一级变换器的响应调整功能,增加了解决方案的可调性。采用此种解决方案,在保证数据中心成本和尺寸不变的同时,可实现每机架100kW的功率密度。
 
 
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