简化数据中心的48V至12V电源转换

数据中心消耗的大量电力推动了从12V到48V服务器机架架构的过渡。该设计解决方案回顾了高效为48V服务器机架中的各种电子负载供电所需的不同拓扑。然后，本文重点介绍PCIE和HDD等外设，需要稳压良好的12V电源轨，并提出了一种多相、交错式、耦合电感的48V至12V降压转换器解决方案，该解决方案紧凑、高效且经济高效。

介绍

容量达数百兆瓦的超大规模数据中心需要高效的电力输送，超出了传统12V供电旧服务器主板的能力。这样的数据中心（图1）的电源使用效率（PUE）最多为1.1，将其10%的功率（数十兆瓦）浪费在冷却和开销上。这种浪费的电力可以舒适地为一个拥有大约10，000户家庭的小城市供电。从 12V 电源转向 48V 电源带来了几个优势。由于电流 （4x）、铜损 （16x） 和连接器/母线尺寸减小，服务器机架在散热、尺寸和成本方面都变得更加高效。在此设计解决方案中，我们回顾了现代数据中心的电源管理架构，概述了为处理器、存储器和外设等不同类别的负载供电的不同策略。最后，我们将重点缩小到需要 12V 电源轨的 PCIE 和 HDD 等外设，并提出了一种多相、交错、基于耦合电感的 48V 至 12V 降压转换器解决方案，该解决方案紧凑、高效且具有成本效益。

48V 服务器架构

图 2 显示了 48V 服务器架构。为存储器和微处理器等低压（<1.8V）高电流负载供电的最佳策略是将48V降至未稳压的12V电源轨。开环、非稳压 4：1 开关储罐转换器 （STC） 拓扑可实现软开关操作，峰值效率在 98% 至 99% 范围内。从这里开始，高效的12V VR转换器为各种负载供电。

PCIE 和 HDD 等外设需要一个 12V 电源轨和高达 100A （1.2kW） 的电流。在这种情况下，需要48V至12V稳压交错式多相DC-DC转换器。

图2.48V 服务器架构。

四相 100A 直流-直流转换器

四相交错式DC-DC转换器可确保纹波电流，因此与单相相比，纹波电压降低。较低的输出电流纹波和电压纹波意味着输出端需要的电容器更少，从而减小了BOM。四相架构还需要较少的输入电容。总输入电流是四个异相电流之和。在这里，与单相操作相比，随着时间的推移分散总输入电流会降低输入电流的总RMS值。这允许使用更小的输入电流纹波滤波器。四相转换器的另一大优点是负载阶跃期间的快速瞬态响应和更低的电压过冲/下冲。反过来，这意味着为电子负载供电的电压轨可以更紧，留给瞬态下降的裕量更小，从而减少负载处的功耗。

在这种大电流应用中，必须挤出最后一个百分点的效率，另一张牌是耦合电感，其中电感缠绕在公共磁芯上。在这里，绕组方向使得磁通量抵消，与四个非耦合电感相比，纹波电流不到四分之一。极低的纹波电流可实现最小的 BOM 和最高的效率。

48V 至 12V 直流至直流控制器

例如，8V至60V MAX15157B固定频率、精确电流报告、电流模式PWM控制器（图3）驱动两个降压配置的功率MOSFET，允许稳压器作为48V至12V降压稳压器工作。四个 IC 与外部分立式 MOSFET、电容器和单个耦合电感器交错在一起，以实现多相操作。

图3.单相直流-直流转换器。

开关频率可通过设置内部振荡器频率的外部电阻器或将稳压器同步至外部时钟来控制。该器件设计用于支持 120kHz 至 1MHz 开关频率。每个IC均采用5mm x 5mm、32引脚TQFN封装，支持-40°C至+125°C结温范围。

1.2kW四分之一砖密度解决方案

在四相耦合电感配置中，该解决方案具有出色的97.9%峰值和97.43%满载效率（12V、100A、1.2kW），如图4所示。

图4.四相效率曲线。

显示了带耦合电感的48V至12VPCB解决方案。该解决方案可轻松嵌入主板上。它在PCB一侧产生1/4砖尺寸，在两个PCB侧产生1/8砖尺寸。

结论

能源效率正在推动数据中心向48V架构发展。与 12V 相比，由于电流、铜损和连接器/母线尺寸减小，48V 服务器机架在散热、尺寸和成本方面都更有效。数据中心服务器微处理器和存储器最好由前端无调节的高效阶段提供服务，然后是针对特定负载量身定制的VR。我们将此实现的细节留到另一天。PCIE 和 HDD 需要一个 12V 电源轨，最好采用基于多相、交错、耦合电感的 48V 至 12V 降压转换器拓扑。为此，我们介绍了MAX15157B降压转换器构建模块。四个交错式 IC 以及相关的分立式 MOSFET、电容器和单个耦合电感器，可提供紧凑的 100A、1.2kW 解决方案，满负载时具有出色的 97.9% 峰值和 97.43% 的效率。这样的效率水平为在不远的将来接近统一的电源使用效率提供了一条途径。

审核编辑：郭婷