數(shù)據(jù)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(wěn)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(shù)百兆瓦的超大規(guī)模數(shù)據(jù)中心需要高效的電力輸送，超出了傳統(tǒng)12V供電舊服務器主板的能力。這樣的數(shù)據(jù)中心（圖1）的電源使用效率（PUE）最多為1.1，將其10%的功率（數(shù)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(yōu)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(xiàn)代數(shù)據(jù)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(wěn)壓的12V電源軌。開環(huán)、非穩(wěn)壓 4：1 開關儲罐轉換器 （STC） 拓撲可實現(xiàn)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(wěn)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(yōu)點是負載階躍期間的快速瞬態(tài)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(tài)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(xiàn)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(wěn)壓器作為48V至12V降壓穩(wěn)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(xiàn)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(wěn)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(shù)據(jù)中心向48V架構發(fā)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(shù)據(jù)中心服務器微處理器和存儲器最好由前端無調節(jié)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(xiàn)的細節(jié)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(tǒng)一的電源使用效率提供了一條途徑。

審核編輯：郭婷