1.6 kW Titanium PSU：高效服务器电源解决方案

在服务器电源设计领域，追求高功率密度、高效率以及稳定可靠的性能是永恒的目标。今天，我们来深入探讨一款符合80 PLUS Titanium标准的1600 W服务器电源解决方案——EVAL_1K6W_PSU_CFD7_QD，看看它是如何在众多电源方案中脱颖而出的。

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背景与系统概述

近年来，开关模式电源（SMPS）的发展趋势是在优化成本的同时提高功率密度。而实现更高功率密度的关键在于提高效率，以减少散热问题。英飞凌此前的800 W服务器电源已展现出了出色的效率水平，超越了80 PLUS Platinum标准。但如果要在相同外形尺寸下实现更高功率，就需要进一步提高效率，以确保设计在热性能方面的可行性。

EVAL_1K6W_PSU_CFD7_QD这款1600 W服务器电源采用了连续导通模式（CCM）无桥功率因数校正器（PFC）和半桥LLC DC - DC谐振转换器的组合。它使用了CoolMOS™ MOSFET和CoolSiC™肖特基二极管，采用顶部冷却的SMD封装（Q - DPAK和D - DPAK），不仅实现了高效的系统设计，还达到了44 W/in³的功率密度。

系统组成

该电源设计由两个主要阶段组成：

• AC - DC阶段（PFC）：采用带双向开关的无桥PFC，在高电压（最小176 Vrms，标称230 Vrms）下以65 kHz的开关频率在CCM模式下运行。PFC功能由英飞凌XMC1402微控制器实现，旨在实现对直流 - 直流转换器合适的母线电压控制，同时从电网获取高质量电流。
• DC - DC阶段（LLC）：采用带有中心抽头变压器和同步整流（SR）的LLC谐振拓扑。谐振槽的谐振频率为160 kHz，工作开关频率范围为52 kHz至300 kHz。目标输出电压为12.2 V，标称输出电流为132 A。LLC控制由英飞凌XMC4200微控制器实现，包括电压调节、突发模式操作、输出过流保护（OCP）和过压保护（OVP）等功能。

主要器件

• 功率半导体：PFC阶段使用了CoolMOS™ 600 V CFD7和CoolSiC™ 650 V G6肖特基二极管；LLC阶段使用了CoolMOS™ 600 V G7和OptiMOS™ 6 40 V MOSFET。
• 驱动芯片：EiceDRIVER™ 1EDI20N12AF隔离式和2EDN7524F非隔离式栅极驱动器。
• 控制器：ICE2QR2280G QR反激控制器用于偏置辅助电源，XMC1402和XMC4200微控制器分别用于PFC和LLC的控制。

电路板设计

电路板规格

EVAL_1K6W_PSU_CFD7_QD服务器电源的电路板规格如下：

• 长度：19.3 cm
• 宽度：7 cm
• 高度：4.4 cm
• 功率密度：44 W/in³

元件布局

电路板的元件布局经过精心设计，以实现高效的功率转换和散热。从左到右依次为：

• 输入部分：保险丝、NTC浪涌电流限制器和输入继电器，后面紧接着是两级EMI滤波器。
• AC - DC阶段：位于电路板中间，包括AC - DC转换器和母线电容器。
• DC - DC阶段：在右侧，包括DC - DC转换器、O - ring开关和输出连接器。
• 偏置转换器：为驱动和控制电路提供所需的电源。
• 控制板：沿着电源的一侧放置，用于实现对整个电源的控制。

输出连接器

输出连接器采用了主机板设计，包括电源连接器、输出电压感测点和远程开关。此外，主机板还允许将输出电压端子连接到风扇电源，但需要直接访问连接器引脚才能实现外部风扇供电。

功率板设计

功率板采用了顶部冷却的D - DPAK和Q - DPAK封装，允许不同的系统设计思路，并将SMD封装应用于高功率SMPS应用中。使用CoolMOS™ G7和CFD7晶体管以及CoolSiC™ G6二极管可以降低损耗，同时优化的热阻和低外形的顶部冷却SMD封装使得PFC和半桥开关可以共享同一个散热器。功率板垂直放置在电源的中央部分，前面是风扇，通过压力夹固定散热器，散热器上还包括一个NTC用于监测温度，以实现保护和风扇速度调节。

规格与测试结果

效率测试

在230 Vrms、50 Hz/60 Hz的输入条件下，从10%到100%负载范围内，该电源达到了80 PLUS Titanium效率标准，在800 W（50%负载）时效率达到96%。这一结果得益于CoolMOS™ 600 V CFD7和G7以及CoolSiC™ 650 V G6肖特基二极管的出色性能。

电流总谐波失真（THD）和功率因数（PF）

在230 Vrms、50 Hz/60 Hz的输入条件下，从20%负载开始，电流THD小于10%，功率因数大于0.95。这表明该电源在不同负载条件下都能保持良好的输入电流质量。

输出电压和纹波

目标输出电压为12.2 V，在230 Vrms、50 Hz/60 Hz的输入条件下，从10%到100%负载范围内，稳态输出电压纹波小于120 mVpk - pk。

浪涌电流

在连接到交流电源时，浪涌电流通过NTC进行限制。在第一个交流周期测量的浪涌电流远低于规定的30 A，确保了电源在启动时的安全性。

电源线干扰

• 线路周期掉电（LCDO）：在230 Vrms的输入条件下，测试了不同负载下的LCDO能力。结果表明，无论电压掉电的起始角度如何，输出电压都在规定的动态变化范围内。如果掉电时间超过规定值，输出电压调节可能会丢失，甚至在母线电压降至310 V时，电源可能会关闭并重新启动。
• 电压骤降：考虑了两种不同的电压骤降条件，测试结果显示输出电压不受输入电压变化的影响。但如果电压骤降持续时间超过规定值，电源会关闭并在空闲一段时间后软启动。

输出电压动态行为

• 负载瞬态响应：在轻载（1 A）到半载（66 A）和半载到满载（132 A）的负载变化下，以0.5 A/µs的步长进行测试，输出电压动态纹波在稳态电压12.2 V的±240 mV范围内。
• 输入电压变化：输入电压的变化会影响母线电压，最终影响输出电压纹波。但在正常工作范围内，电源能够保持稳定的输出。
• 突发模式：在轻载或空载条件下，DC - DC阶段进入突发模式运行，以提高效率。

保护功能

• 过流保护（OCP）：设置了不同的OCP级别和允许的最大时间。当负载电流超过设定值时，DC - DC转换器会被锁定，母线电压必须降至310 V以下才能重启电源。此外，还实现了快速短路保护，能够在几个开关周期内检测到严重过载。
• 过压保护（OVP）：当DC - DC阶段出现控制问题时，OVP设置为14 V，以保护负载设备。

传导电磁干扰（EMI）

该电源采用了EMI滤波器，在纯电阻负载下，以标称输出功率和230 V的输入电压在50 Hz下运行时，传导EMI符合CISPR 22 Class B限制。

热测量

在室温下，对电源的主要器件进行了长时间的热测试，包括PFC开关、PFC二极管、PFC扼流圈、LLC半桥的低端CoolMOS™、LLC变压器等。测试结果表明，在标称输入电压和最小输入电压（176 Vrms）下，电源的主要器件温度都在可接受的范围内，为电源的长期稳定运行提供了保障。

总结

EVAL_1K6W_PSU_CFD7_QD这款1600 W服务器电源解决方案是一款高性能、高效率的电源设计。它不仅实现了80 PLUS Titanium效率标准，还达到了44 W/in³的高功率密度。通过采用顶部冷却的SMD封装和先进的半导体技术，该电源在散热性能和系统集成方面具有显著优势。同时，它还具备完善的保护功能和良好的动态性能，能够满足数据中心服务器的严格要求。

对于电子工程师来说，这款电源设计提供了一个优秀的参考案例，无论是在功率转换拓扑的选择、器件的选型还是电路板的布局设计方面，都有很多值得借鉴的地方。你在设计类似的电源方案时，是否也会考虑采用这些先进的技术和设计理念呢？欢迎在评论区分享你的看法。