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新電源聯盟爲48V直接DC-DC轉換提供更佳客戶選擇
2018-6-13 20:16:47      点击:
针对数据中心等要求苛刻的高级应用开发电源系统解決方案,要想不太过依赖于独家供应商,具有相当大的挑战性。電源模塊行业内具有前瞻性的公司已经认识到,DC-DC電源模塊的用户——尤其是那些需要48V直接转换的用户——正在从独立的备选来源当中寻找兼容产品。
 
为了满足这一需求,业界最近成立了電源模塊联盟(Power Stamp Alliance,PSA)(www.powerstamp.org),旨在实现为客户提供在兼容解決方案之间进行选择,同时使电源制造商能够得以竞争并为全球客户提供最佳技术解決方案的双向目标。
 
在本文中,PSA的創始成員之一——Flex公司,將會探討包括給出兼容性定義的規範在內的新聯盟對于客戶的好處,以及48V直接轉換在數據中心等效率敏感型應用中的優勢。
 
現代供應鏈管理及許多公司的政策都要求,對于設計中的關鍵(如果不是全部)元器件,至少要提供一個備選來源。這可以保護OEM廠商不受缺貨問題所困擾,並使供應商之間能夠有一定程度的競爭力,從而確保成本得到控制。
 
然而,電源模塊行業一直以各供應商開發它們自己的封裝和機械外形而聞名。這意味著,雖然更換供應商是可能的,但這通常涉及重新設計PCB和重新認證新設備等問題。這不僅會引入成本,而且可能過程漫長,同時也涉及風險因素。
 
爲了解決這個問題並提供一定程度的標准化,電源模塊行業已出現了許多聯盟。雖然其中許多都涵蓋了通用産品,但若聯盟能專注在有限但卻重要的技術領域,則對客戶的影響往往更爲有利。
 
最新的聯盟之一是PSA——該聯盟非常專注于面向處理器、存儲器和ASIC的高級大電流模塊——盡管該技術也可用于其他應用。
 
PSA的主要目标是为将48V标称电压转换为大电流低电压输出提供多来源的标准電源模塊解決方案。为了容纳尽可能多的器件并提供未来适用性,PSA架构在功耗/电流方面具有完全可扩展性。
 
PSA决定专注于仅为基于意法半导体(ST Microelectronics)的電源模塊规定封装和功能,而电气性能则由每个PSA成员公司来决定。
 
尽管PSA目前的成员仅包括Flex、Artesyn Embedded Technologies、Bel Power Solutions和意法半导体这四个创始成员,但开发PSA兼容产品的其他公司也可加入,而让客户能有更多的选择。
 
PSA還規定,模塊應采用現有工藝制造,從而能夠以最小的風險進行大批量生産,進而確保産品有良好的可用性,以便維護供應鏈。
 
在系統層面,PSA基于100A容量的模塊;系統可以配置多達六個模塊(一個主模塊和多達五個從模塊),而爲系統提供600A的容量。如果在工作過程中電流需求減少,那麽內置控制器將會自動禁用從模塊,從而確保在100A到600A的寬電流範圍內達到最佳效率水平。
 
雖然PSA設備的機械外殼是固定的,但爲了最大限度地方便用戶,外殼已根據應用定義。設計人員可以將四個PSA模塊配置在58mm×58mm處理器的一邊,這意味著可以在處理器本地生成高達400A的電流,而無需較長的大電流走線。
 
PSA解決方案的二次侧完全采用数字控制,用户可通过PMBus AVS或标准的SVID对模块进行控制。这些标准完全在模块内部实现,而使电源解決方案可针对任何特定应用进行优化。
 
例如,在有兩個VR13-HC處理器和兩個DDR內存條的應用中,每個處理器需要高達400A的電流,每個內存條需要200A電流。
 
圖1:具有兩個CPU和兩對內存條的典型PSA應用(來源:PSA)
 
圖字:48V總線;高達200A;來自12V的輔助電源
 
此類系統的電力需求可以通過使用多個電源模塊來實現。主電源模塊既可充當多達五個從模塊的控制級,又可自身提供高達100A的電力。這些從模塊每個都能提供高達100A的電力,並且僅由主模塊控制,從模塊不需要采用直接的用戶接口。由于負載動態變化,主模塊可以自動禁用(並重新啓用)任何不需要的從模塊,從而確保始終實現最佳效率。
 
圖2:在較大系統中,主模塊可以控制從模塊(來源:PSA)
 
圖字:輸入電源;控制;100A主模塊;隔離器;100A從模塊;隔離;輸出電源;從100A到600A可擴展
 
主模塊和從模塊的尺寸和封裝均由PSA定義,兩種模塊的封裝相同。主模塊有一個單獨的控制PCB,在其頂部嵌入了一個從模塊並具有LGA焊盤端子,而從模塊使用模塊引腳。引腳布局一直是業界廣泛思考和討論的主題,因此PSA將類似的信號組合在一起並將其放置在邊緣附近,以使工程師能夠輕松地進行模塊間連接。接地連接配置在模塊中心附近。
 
设计人员可通过任何PSA成员访问参考设计板,以便对基于PSA模块的电源解決方案进行快速的原型设计和开发。PSA成员正在开发或已经能够提供输出电压为0.9V、1.0V和1.8V的PSA合规模块。
 
圖3:PSA成員公司現可提供用于快速評估和開發的參考板(來源:PSA)
 
直接轉換的好處
 
PSA最顯著的特點之一是,它能夠實現從標稱48V配電軌到負載所需電壓的直接轉換。直到最近,電信和數據通信電源使用兩級轉換,使用中間總線轉換器(IBC)將半穩壓48V配電軌轉換爲12V。
 
在這種中間總線架構(IBA)中,IBC提供第一級轉換以及系統隔離。然後,非隔離負載點(niPOL)提供第二級轉換——它將12V中間軌轉換爲負載所需的電壓,即處理器、存儲器和ASIC通常所需的低電壓。
 
圖4:兩級轉換使用帶獨立niPOL的IBC(來源:Flex)
 
圖字:交流線路;隔離、轉換、穩壓;半穩壓配電總線;總線轉換器;隔離、降壓;穩壓半隔離中間總線;niPOL轉換器;降壓、穩壓;穩定負載電壓
 
雖然這種方法具有包括單點隔離(可降低總系統成本)在內的許多好處,但主要缺點是與單級轉換相比效率相對較低。
 
圖5:直接轉換通常比兩級轉換效率更高(來源:Flex)
 
圖字:12V總線;48V總線;傳統的兩級48V至Vcore轉換;IBC(48V-12V);96%效率;POL(12V-1V);90%效率;總效率爲86.4%;直接48V至Vcore轉換;直接至Vcore轉換器;>91%或更高的效率
 
雖然IBC和niPOL單獨使用時效率較高(典型值分別爲96%和90%),但這種方法會使從48V到負載的總體轉換效率降至86.4%。相比之下,PSA模塊等單級隔離轉換器可在目標負載下實現>91%的效率。
 
如果我們去考慮在1VDC下需要600A的典型處理器/內存應用,那麽效率爲86.4%的兩級轉換會産生大約94.4W的熱量,而單級轉換可將這一數值降低35W至59.4W。
 
這種方法的一個額外的好處是,由于是用單級轉換對48V進行分配,其母線中的電流將會是分配12V的兩級轉換系統中的電流的25%。因此,母線中的損耗(I2R)將降低到兩級系統的1/16。
 
雖然這些數字看起來很小,但它們與單個處理器和內存的組合有關。即使在一般大小的數據中心中也會有數千個處理器,因此每個處理器帶來的少量節省累加起來也會變得非常巨大。這不僅會使運行成本得到降低,而且會使功耗下降約50%。這意味著可以在與之前相同的空間內提供多得多的電力,或者電源可以做到更小。
 
總結
 
对于构建基于处理器的系统的公司来说,高效电源转换和选择可互操作的电源解決方案供应商是其两个重要议程。PSA通过定义单级转换電源模塊的外形尺寸和核心功能,已经实现了上述两个目标,同时使供应商得以继续竞争,而将最高效的高级技术解決方案推向市场。