2.7 kW Titanium服务器数字电源：高效设计与应用

引言

在当今的数据中心领域，随着计算能力需求的不断攀升，服务器电源需要在有限的体积内提供更高的功率。本文将深入介绍一款2.7 kW的Titanium服务器数字电源，它采用了英飞凌的CoolSiC™ 650 V器件和XMC™微控制器，具备高密度、高效率等特点，能够满足企业服务器应用的严格要求。

文件下载：Infineon Technologies EVAL_2K7W_12V_PSU服务器电源.pdf

系统规格

输入要求

该电源的输入电压范围为180 - 264 Vac（2700 W）和90 - 140 Vac（1500 W），频率在47 Hz至63 Hz之间。它的效率峰值可达96%，符合80 PLUS™ Titanium标准，最大输入电流为13.8 Arms（120/208 Vac），浪涌电流小于30 Apk，能够承受大于1 KVL - L和2 KVL - E的浪涌（EN61000 - 4 - 5），功率因数在20%负载时大于0.9，谐波失真小于10%（EN 61000 - 3 - 2），保持时间在100%负载时大于10 ms，工作温度范围为0至50℃。

输出要求

输出方面，标称输出电压为12.2 V，总输出调节范围在11.2 V至13.2 V之间，输出纹波小于180 mVp - p，输出电流在高低线分别为224/112 A。

硬件概述

电源板描述

电源板主要由输入级、无桥图腾柱功率因数校正（PFC）AC - DC级和LLC DC - DC转换级组成。输入级包含EMI滤波器、浪涌电流限制和保护组件；PFC级用于提高功率因数；LLC级则实现高效的DC - DC转换。此外，还有控制和偏置板，用于控制PFC和LLC级，并提供电源的辅助电源。

英飞凌产品应用

1. CoolSiC™ MOSFETs：在无桥图腾柱PFC中，采用CoolSiC™ IMZA65R072M1H 650 V MOSFET。它具有低寄生电容和反向恢复损耗，能够使前端AC - DC整流器高效运行，减少开关损耗，提高效率和功率质量。
2. CoolMOS™ MOSFETs：在无桥图腾柱PFC的AC整流支路使用CoolMOS™ IPW60R040C7 600 V MOSFET，可降低导通损耗；在LLC DC - DC转换器的初级侧使用CoolMOS™ IPW60R024CFD7 600 V MOSFET，因其出色的反向恢复电荷、低Eoss和RDS(on) × Qg优值，适合高频谐振拓扑。
3. OptiMOS™ MOSFETs：LLC同步整流采用OptiMOS™ 6 BSC007N04LS6 40 V和0.7 mΩ MOSFETs，能够显著降低导通损耗，实现高效率和高功率密度。
4. XMC™微控制器：32位XMC1404微控制器用于数字控制无桥图腾柱PFC升压转换器，具备高分辨率ADC和PWM定时器，可实现高功率质量和精确的输出调节；XMC4200 MCU用于控制LLC DC - DC转换器，基于Arm® Cortex® - M4，具有丰富的外设，能够满足复杂的控制需求。
5. EiceDRIVER™栅极驱动器：不同型号的EiceDRIVER™栅极驱动器用于驱动PFC和LLC级的开关管，具有高CMTI和强驱动能力，确保在高功率开关噪声环境下稳定运行。
6. ISOFACE™数字隔离器：4DIR1400H数字隔离器用于实现PFC控制器和LLC控制器之间的通信隔离，满足系统级安全要求。

硬件设计考虑

无桥图腾柱PFC

1. MOSFET选择：选择CoolSiC™ IMZA65R072M1H 650 V MOSFET可降低导通和开关损耗，提高效率和功率密度；CoolMOS™ IPW60R040C7 600 V MOSFET用于减少二极管导通损耗。
2. PFC电感设计：根据允许的纹波确定电感值，本设计选择约20%的纹波，最终电感值在满载和交流正弦波峰值时为250 µH。采用Magnetics公司的Edge材料堆叠铁芯，可在宽直流偏置范围内保持磁导率，减少损耗。
3. DC母线电容：根据最大允许的双线频率纹波和保持母线电压的能力选择电容值，本设计采用两个680 µF电容。

LLC DC - DC转换器

1. MOSFET选择：初级侧选择CoolMOS™ IPW60R024CFD7 600 V MOSFET，可实现软开关，降低损耗；次级侧同步整流选择OptiMOS™ 6 MOSFETs，以降低导通损耗。
2. LLC变压器：优化变压器的材料选择和结构，采用litz线和铜箔绕组，通过FEA仿真选择低损耗的铁芯结构，在最高负载条件下总功率损耗接近22 W。
3. Oring FET：选择与同步整流相同的FET作为Oring FET，以降低导通损耗。
4. LLC电容损耗：计算谐振电容和输出电容的损耗，同时考虑终端、母线排和PCB走线的损耗。

控制与固件

PFC控制

PFC控制器的目标是调节DC母线输出电压，并控制输入电流形状以实现高功率因数。通过硬件传感和XMC1404的ADC检测输出电压，经过PI控制器生成参考电流幅值，再与测量的平均电感电流比较，最终生成PWM信号驱动图腾柱PFC快速支路。

LLC控制

LLC控制器通过检测输出电压并与设定值比较，经过Type 3和滞后补偿器生成最终的LLC周期，由XMC4200的CCU8定时器生成PWM信号。在启动时，采用软启动策略，确保输出电压稳定上升。

保护功能

PFC和LLC电路块具备电气和热过应力保护功能，通过检测关键信号并输入到微控制器的ADC通道，当ADC输出超过设定阈值时触发保护动作，包括AC过压、过流、输出过压、输入欠压、初级过流和过热等保护。

测试结果

对电源进行了全面测试，包括稳态和瞬态运行条件。测试结果表明，输出电压纹波小于176 mVp - p，启动时输出过冲和欠冲得到有效控制，在负载阶跃和AC线路掉电等情况下，输出电压能够保持稳定。此外，电源的效率在不同负载点均满足80 PLUS™ Titanium标准，谐波排放低于IEC 61000 - 3 - 2要求，关键组件的温度也在安全范围内。

总结

这款2.7 kW的Titanium服务器数字电源采用了英飞凌的先进产品，实现了高达96.11%的峰值效率和低谐波含量，满足了企业服务器应用的严格要求。通过合理的硬件设计和精确的控制策略，电源在电气性能和热性能方面表现出色，为数据中心的稳定运行提供了可靠的保障。作为电子工程师，我们可以从这个设计中汲取经验，在未来的项目中实现更高效率和性能的电源设计。你在实际设计中是否也遇到过类似的挑战呢？欢迎在评论区分享你的经验和想法。