在不久前OCP全球峰會(huì)上，英偉達(dá)（NVIDIA）正式發(fā)布白皮書(shū)，全面描繪了AI工廠電力基礎(chǔ)設(shè)施的下一階段發(fā)展藍(lán)圖。該新架構(gòu)創(chuàng)新的從傳統(tǒng)415 VAC或者480 VAC交流電轉(zhuǎn)向構(gòu)建端到端的800 VDC直流母線，省去了中間多余的交直流轉(zhuǎn)換環(huán)節(jié)，直接將高壓直流電輸送至計(jì)算節(jié)點(diǎn)。此舉不僅顯著降低了傳輸損耗，相比傳統(tǒng)多級(jí)轉(zhuǎn)換方案，還能節(jié)省高達(dá)26%的空間。而在數(shù)據(jù)中心的分級(jí)電源架構(gòu)中，48 V供電架構(gòu)因其能顯著降低傳輸損耗而成為提升系統(tǒng)效率的關(guān)鍵。

在48 V供電架構(gòu)中，傳統(tǒng)主流方案采用兩級(jí)轉(zhuǎn)換拓?fù)洌菏紫韧ㄟ^(guò)中間總線轉(zhuǎn)換器（IBC）將48 V降至12 V中間總線電壓，再由負(fù)載點(diǎn)（PoL）轉(zhuǎn)換器將12 V轉(zhuǎn)換為芯片核心（如MCU，FPGA或ASIC）所需的0.8 V到1.8 V超低電壓。盡管單個(gè)轉(zhuǎn)換階段的效率可能達(dá)到96%，但由于累積損耗效應(yīng)，兩級(jí)系統(tǒng)的整體效率會(huì)降至約87%左右。此外，該架構(gòu)需要兩個(gè)獨(dú)立的功率轉(zhuǎn)換模塊和相應(yīng)的磁性元件，這增加了解決方案的總體積和材料成本，并因更長(zhǎng)的功率路徑引入更大的寄生阻抗，影響動(dòng)態(tài)響應(yīng)速度。

圖1: 傳統(tǒng)主流兩級(jí)電源方案

相比之下，單級(jí)直接轉(zhuǎn)換架構(gòu)將48 V輸入電壓直接一步轉(zhuǎn)換為目標(biāo)低電壓。這種方案通過(guò)消除中間轉(zhuǎn)換環(huán)節(jié)，將典型整體效率提升至90%以上。在物理布局上，單級(jí)轉(zhuǎn)換節(jié)省了原本用于中間總線電路的PCB面積和銅箔用量，顯著提升了功率密度。其更簡(jiǎn)短的功率路徑還有助于降低環(huán)路電感，從而優(yōu)化負(fù)載瞬態(tài)響應(yīng)性能。

圖2: 應(yīng)用HP1800實(shí)現(xiàn)48 V到1 V的單級(jí)轉(zhuǎn)換方案

近日，慧能泰推出了PWM倍相控制器HP1800，該芯片可將一個(gè)三態(tài)輸入PWM信號(hào)擴(kuò)展為兩相交錯(cuò)180°互補(bǔ)的四路PWM輸出，專為高密度、高效DC-DC電源設(shè)計(jì)。HP1800可以用傳統(tǒng)的12 V->1 V buck型multi-phase voltage controller去控制48 V->1 V半橋型multi-phase voltage controller, 而不需要增加額外的pwm通道，大幅降低了voltage regulator的設(shè)計(jì)難度和成本?？蓮V泛應(yīng)用于單級(jí)PoL電源、隔離/非隔離DC-DC磚模塊電源等場(chǎng)景。

圖3: HP1800 DFN-8L封裝及引腳定義圖

HP1800芯片特性

VCC最大供電電壓7 V

由單個(gè)PWM輸入信號(hào)，輸出兩相交錯(cuò)180°互補(bǔ)的4路PWM信號(hào)

開(kāi)關(guān)頻率范圍200 kHz到2 MHz

PWM_IN支持三態(tài)信號(hào)輸入，為高阻態(tài)時(shí)用于停止PWM輸出

初始化PWM死區(qū)配置可編程

工作溫度范圍-40 °C到125 °C

圖4: HP1800典型應(yīng)用框圖：?jiǎn)渭?jí)48 V轉(zhuǎn)1.0 V半橋倍流整流變換器

圖5: HP1800 Demo板

功能亮點(diǎn)1：PWM倍相輸出

HP1800通過(guò)一路三態(tài)PWM輸入信號(hào)，擴(kuò)展為兩相交錯(cuò)180°分別互補(bǔ)的四路PWM輸出信號(hào)，極大的方便了需要多相互補(bǔ)PWM驅(qū)動(dòng)的主功率拓?fù)洌档蛯?duì)主控制器PWM輸出通道的設(shè)計(jì)需求。同時(shí)，通過(guò)PWM1和PWM4下拉電阻，可分別對(duì)PWM1/2和PWM3/4的死區(qū)進(jìn)行的初始化設(shè)定，根據(jù)實(shí)際系統(tǒng)靈活調(diào)整。

圖6: HP1800 PWM_IN輸入與PWM1-4輸出時(shí)序圖

功能亮點(diǎn)2：完善的抗擾動(dòng)機(jī)制

由于四路互補(bǔ)導(dǎo)通的PWM輸出信號(hào)僅由單一的PWM輸入信號(hào)控制，任何PWM輸入信號(hào)上的擾動(dòng)、異常時(shí)序等都可能對(duì)輸出信號(hào)的穩(wěn)定性造成重大威脅，嚴(yán)重時(shí)可能將導(dǎo)致本因互補(bǔ)的信號(hào)直通，損壞功率器件。HP1800針對(duì)可能發(fā)生的異常工況，優(yōu)化了對(duì)PWM輸入信號(hào)進(jìn)入或退出第三態(tài)、輸出互補(bǔ)信號(hào)時(shí)序控制，能有效應(yīng)對(duì)外部突發(fā)異常干擾。

圖7: (左) PWM_IN由第三態(tài)轉(zhuǎn)入低電平，并經(jīng)過(guò)一個(gè)完整的PWM脈沖后開(kāi)始輸出；(右) PWM_IN由第三態(tài)轉(zhuǎn)入高電平，并經(jīng)過(guò)一個(gè)完整的PWM脈沖后開(kāi)始輸出

圖 8: PWM_IN引入干擾脈沖且幅值超過(guò)信號(hào)高/低閾值

功能亮點(diǎn)3：使用傳統(tǒng)多相控制器拓展多相半橋倍流整流單級(jí)變換器

圖中展示了HP1800驅(qū)動(dòng)一款多相交錯(cuò)半橋電流倍增器轉(zhuǎn)換器的典型應(yīng)用電路。該轉(zhuǎn)換器通過(guò)單級(jí)功率轉(zhuǎn)換即可將48 V典型輸入電壓降至1.0 V，與兩級(jí)轉(zhuǎn)換方案相比顯著提升了功率轉(zhuǎn)換效率。PWM_IN和EN信號(hào)由外部傳統(tǒng)多相控制器進(jìn)行控制，PWM1至PWM4輸出則同時(shí)驅(qū)動(dòng)半橋驅(qū)動(dòng)器HP3010（120 V/3 A, DFN2x2-8L）和雙通道低側(cè)驅(qū)動(dòng)器HP3000（30 V/5 A, DFN2x2-8L）?；パa(bǔ)信號(hào)對(duì)（PWM1/PWM2與PWM3/PWM4）之間的初始死區(qū)時(shí)間可通過(guò)PWM1端的電阻R1和PWM4端的電阻R4獨(dú)立配置。

圖9: 多相交錯(cuò)半橋倍流整流轉(zhuǎn)換器的電路框圖

采用HP1800后，整體的電源架構(gòu)能夠輕松的從二級(jí)變?yōu)橐患?jí)，并僅需采用原來(lái)第二級(jí)電路的多相控制器即可實(shí)現(xiàn)單級(jí)的48 V母線直接供電。HP1800提供了一套設(shè)計(jì)簡(jiǎn)潔、極高性價(jià)比的算力電源的新解決思路！歡迎各位工程師來(lái)電詢問(wèn)。

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深圳慧能泰半導(dǎo)體科技有限公司是一家專注于智慧能源控制技術(shù)的公司，主要面向智能快充和數(shù)字能源領(lǐng)域，提供高性能數(shù)模混合芯片產(chǎn)品。公司總部設(shè)立在深圳前海，同時(shí)在上海、浙江杭州、美國(guó)加州設(shè)有研發(fā)中心?；勰芴┑暮诵难邪l(fā)團(tuán)隊(duì)來(lái)自國(guó)內(nèi)外頂尖半導(dǎo)體公司，擁有強(qiáng)大的研發(fā)創(chuàng)新能力。公司現(xiàn)已獲多項(xiàng)授權(quán)專利，擁有獨(dú)立自主知識(shí)產(chǎn)權(quán)，并于2020年被評(píng)為“高新技術(shù)企業(yè)”，2023年獲評(píng)國(guó)家級(jí)專精特新“小巨人”企業(yè)。

目前，慧能泰已完成了圍繞USB Type-C生態(tài)鏈的整體產(chǎn)品布局，開(kāi)發(fā)并量產(chǎn)了多款產(chǎn)品：供電端的多系列PD Source協(xié)議芯片，受電端的高性能PD Sink(PD 誘騙芯片)、Type-C端口控制器（CC Logic），線纜端的USB eMarker（電子標(biāo)簽芯片）。成立以來(lái)，慧能泰連續(xù)推出多款業(yè)界領(lǐng)先的產(chǎn)品并廣受市場(chǎng)歡迎。公司芯片出貨量逾10億顆，標(biāo)桿性客戶有聯(lián)想、小米、三星、HP、貝爾金和努比亞等。同時(shí)，慧能泰也致力于提高能源利用效率、研究能源控制技術(shù)，借助自身的技術(shù)研發(fā)優(yōu)勢(shì)，面向ICT（通信服務(wù)器）、數(shù)據(jù)中心、光伏逆變器、儲(chǔ)能等工業(yè)應(yīng)用，研發(fā)數(shù)字電源控制芯片、高壓驅(qū)動(dòng)芯片、電源轉(zhuǎn)換芯片和模塊等產(chǎn)品。

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