摘要

     將54 V電壓轉換為合適的12 V電壓是一項頗具挑戰(zhàn)性的任務，需要新型轉換器拓撲來開發(fā)改良的高性能電源。此外，為了適應最新的數(shù)據(jù)中心和超大規(guī)模架構，尺寸必須很小，因此1/4磚的小尺寸規(guī)格是理想選擇。本文將探討ADI公司的參考設計如何解決效率、功率損耗、散熱、通用封裝設計等關鍵問題，從而在同類產品中脫穎而出。另外，還會討論這些優(yōu)勢對系統(tǒng)應用的積極影響。

簡介

     在數(shù)字信息盛行、社交互動頻繁的當今時代，設計精良且運作高效的數(shù)據(jù)中心顯得尤為重要。我們所依賴的網(wǎng)絡、存儲和全球互聯(lián)服務都由數(shù)據(jù)中心來提供。讓數(shù)據(jù)中心保持平穩(wěn)運行，對于避免數(shù)據(jù)中斷和損壞至關重要。然而，市場對算力的需求不斷攀升，數(shù)據(jù)中心的使用量每年都在快速增長，老舊的數(shù)據(jù)中心已經(jīng)不堪重負，快要接近運營負荷的極限。例如，在人工智能(AI)領域，大語言模型的周活躍用戶數(shù)在不到一年的時間里就翻了一番。相應地，市場對更高功率密度的需求也日益增長，進而需要更穩(wěn)健和高性能的電源轉換器。

     為了支持更加強大的服務器、網(wǎng)絡設備和存儲系統(tǒng)，數(shù)據(jù)中心不斷擴展，電力需求持續(xù)上升，從輸電線路到機架內部的可用直流電壓，涉及多級電源轉換。在數(shù)據(jù)中心內，傳統(tǒng)架構通常將整流后的交流電壓轉換為12 V DC，作為主板內部的主要電源。然而，12 V DC架構效率低下的問題日益凸顯，無法滿足電路板內的主電源供電需求。若將輸入電壓提高到48 V，則PCB兩端的I2R損耗最多可降為原來的1/16，轉換損耗將大幅降低，而且48 V電壓仍屬于安全特低電壓(SELV)。

     因此，中間總線轉換器是現(xiàn)代數(shù)據(jù)中心電源架構中的關鍵器件，它將主電源（如UPS不間斷電源）提供的48 V電壓總線轉換為現(xiàn)有的中間總線電壓（5 V、12 V架構）和負載點(POL)穩(wěn)壓器的輸入電壓。這種電源被稱為中間總線轉換器(IBC)。IBC有多種功率容量和尺寸，其中一種常見的類型是1/4磚(QB)電源。

     1/4磚電源(QB PS)是一種緊湊、高效的DC-DC轉換器模塊，在現(xiàn)代電源系統(tǒng)中扮演著至關重要的角色。它將高壓直流輸入轉換為相對較低的電壓，從而為主板內部的各種外設和核心處理器供電?！?/4磚”是指這種電源的形狀小巧，且呈矩形。此類電源通常占用大約58.4 mm × 36.8 mm（2.3英寸× 1.45英寸）的PCB面積，高度通常約為14.5 mm（0.57英寸）。QB PS雖然尺寸小巧，但效率很高，并且可以輕松集成到現(xiàn)有電源系統(tǒng)中。

     此類電源廣泛應用于數(shù)據(jù)中心，因其尺寸小和效率高的特點，成為服務器機架、網(wǎng)絡交換機、通風系統(tǒng)、整流器和備用電池的理想選擇。憑借多功能性和出色的可靠性，QB電源是滿足現(xiàn)代電子基礎架構電源需求的理想解決方案。QB電源的輸入電壓范圍通常為40 V至60 V，也有一些型號支持其他的輸入電壓范圍。此類電源利用開關技術，高效地將輸入電壓調節(jié)和轉換為較低的穩(wěn)定輸出電壓，通常為9 V至16 V。輸出電壓可以根據(jù)具體需求而變化。

1/4磚電源的主要特性通常包括：

高效率

     此類電源能夠使轉換效率最大化。轉換損耗應低于傳統(tǒng)12 V DC架構的I2R損耗。

寬輸入電壓范圍

     此類電源可以接受寬范圍的輸入電壓，因而與各種電源兼容。典型的標稱輸入電壓范圍在48 VDC至54 VDC之間，擴展范圍為40 V DC到60 V DC。

保護機制

     此類電源具有過壓保護、過流保護、短路保護和熱關斷等保護特性，可以保護電源和相連設備。

散熱管理

     高效散熱是保障可靠運行的關鍵。QB電源通常內置散熱管理功能，比如利用散熱器或集成風扇來調節(jié)溫度。

遠程檢測

     某些型號支持遠程檢測，可補償輸出線纜造成的電壓降，確保負載獲得精確穩(wěn)定的電壓。

PMBus?和高級控制功能

     許多QB電源提供高級控制功能，例如電壓微調、遠程開/關控制、與其他電源模塊進行同步等。

可擴展性

     QB電源應當易于擴展，即只需對電路進行少量改動就能實現(xiàn)擴展。而且，QB電源可以配置為并聯(lián)操作以滿足不同的功率需求，并且可以處理預偏置啟動，以實現(xiàn)熱插拔功能。

      選擇QB電源時，必須考慮多種因素，例如輸入/輸出電壓要求、負載電流、效率、工作溫度范圍、適用于目標應用的特定行業(yè)認證或標準等。而QB參考設計具備了所有這些特性，適合需要穩(wěn)定高效供電的高要求應用。

     QB電源的關鍵組成部分包括輸入濾波器、輸出濾波器、一些反饋控制電路以及保護機制，其中保護機制可以包含在控制器或電源管理IC (PMIC)中。參見圖1。

圖1.ADI1/4磚PSU框圖。

QB電源的優(yōu)勢

小尺寸

     QB電源的主要優(yōu)勢之一是其外形緊湊，因而在尺寸受限的應用中，它能使空間得到有效利用。

高功率密度

     QB電源盡管體積很小，但具有高功率密度，能夠提供相當大的功率輸出。

效率

     隨著電源轉換技術的進步，QB電源實現(xiàn)了高效率水平，減少了能量浪費，并盡可能降低了發(fā)熱量。

散熱管理

     QB電源通常注重散熱管理設計，例如采用可加裝散熱器的扁平基板，以確保在具有挑戰(zhàn)性的熱環(huán)境中實現(xiàn)理想的運行性能和可靠性。

圖2.將SS和ISHARE引腳相連，LTC7822 QB電源便可實現(xiàn)并聯(lián)。

可靠性和耐用性

     此類電源的設計符合嚴格的行業(yè)標準，即使在惡劣的工作條件下也能確保長久的可靠性和耐用性。

供應鏈韌性

     不同廠商的QB電源引腳采用通用封裝(CFP)，因而相互兼容，由此確保了生產供應鏈的韌性，出現(xiàn)故障時也便于提供售后支持。

基于LTC7822的QB電源的主要特性

寬輸入電壓范圍

     QBM電源通常支持寬輸入電壓范圍，能夠與各種電源兼容。

輸出電壓調節(jié)

     此類電源提供精確穩(wěn)定的輸出電壓調節(jié)能力，確保在不同負載條件下保持性能一致。

高功率密度

     此類電源的拓撲通過增加一個開關電容部分將輸入電壓減半，從本質上縮小了電感的尺寸。

可擴展

     此類電源的拓撲是一種電流模式電源，將軟啟動引腳和補償引腳相連，即可輕松實現(xiàn)并聯(lián)。這種拓撲降低了并聯(lián)操作的復雜性。圖2顯示了各個QB并聯(lián)的示例。

保護機制

     QBM電源集成了過壓保護(OVP)、過流保護(OCP)、短路保護(SCP)和熱關斷等保護特性，能夠防范電氣故障并防止相連設備受損。

可靠性

     由于存在電容分壓結構，這種拓撲自身就能夠保護任何下一級下游轉換器免受直流高電壓的影響。即使最頂部的FET失效，也會形成分壓結構，以防止下游轉換器發(fā)生故障。

采用QB拓撲的混合轉換器

     QB電源是一種DC-DC轉換器，可將40 V至60 V的輸入電壓轉換為12 V的穩(wěn)定輸出電壓。這種設計利用了一種復雜的架構，結合了軟開關電荷泵分壓器和同步降壓(buck)轉換器拓撲。軟開關電荷泵會以非常低的轉換損耗將輸入電壓減半，因此降壓部分僅需在VIN/2電平（即MID引腳電壓）下進行硬開關操作（圖3）。通過這種方式，可以實現(xiàn)高效的電源轉換，并縮小輸出端電感。此方案的代價是須將一個電容用作另一個儲能元件，但通過優(yōu)化額定值和尺寸，混合轉換器性能可以超越市面上的大多數(shù)常規(guī)拓撲。本文將討論混合轉換器作為一種高效拓撲的原因及其工作原理。

圖3.飛跨電容和中間電容兩端的電壓。

     對于1/4磚應用，混合轉換器在功率傳輸和功率密度之間取得了良好的平衡。典型的固定比率開關電容在高功率密度和低輸出功率水平下非常高效。例如，LTC7820在28 mm × 28 mm PCB面積上進行48 V至24 V轉換時，效率高達99%（圖4）。然而，這種設計只能支持大約300 W到600 W的輸出功率。

     要在不降低效率的情況下實現(xiàn)更高的輸出功率，需要考慮再并聯(lián)一個開關電容轉換器和更多的陶瓷電容，因而需要更大的PCB面積。這會極大地影響功率密度，并且24 V至12 V DC轉換需要第二級電路。為此，我們可以采用另一種開關電容拓撲，利用Dickson轉換器來實現(xiàn)單級4:1降壓比。此拓撲需要用到額外的開關，但也存在同樣的問題，即超過600 W時需要更多陶瓷電容，當應用需要更大輸出電流時會影響可擴展性。

圖4.采用LTC7820的48 VIN至24 VOUT、20 A開關電容轉換器。

     穩(wěn)壓混合轉換器是更適合1 kW功率級別的拓撲，因為它能在有限的PCB面積下提供更高輸出電流。開關電容部分將轉換主輸入電壓線，而不處理大部分電流轉換。主輸出電流轉換由降壓部分承擔，飛跨電容尺寸和電感尺寸得以減小。對于1/4磚外形，固定尺寸為58.4 mm × 36.8 mm，因而PCB面積至關重要。圖5顯示了1/4磚尺寸的四相混合轉換器的參考元件布置。

     LTC7822是一款高性能、兩相混合式降壓DC-DC控制器，專為高密度電源應用而設計。它所采用的拓撲如圖6所示，包含兩相，但大大減少了每瓦所需的電容元件數(shù)，因為一相的飛跨電容身兼兩職：(1) 用作其互補相的電容分壓器，(2) 用作其自身相的主儲能元件之一。如此一來，每相所需的中間電容數(shù)量大大減少。這款器件的單芯片功率輸出可達1 kW，大于相同面積下任何典型開關電容拓撲的輸出功率。

圖5.四相2 kW混合轉換器，采用LTC7822以適應1/4磚PCB面積。

圖6.CFLY1和CFLY2充當電容分壓器。

     當奇數(shù)FET（M1、M3、M5、M7）導通時，互補FET（M2、M4、M6、M8）關斷。在開關切換過程中，CFLY1由輸入電壓供電，并通過VMID節(jié)點與CFLY2串聯(lián)。這兩個飛跨電容應具有相同的容值，以確保平均電壓相等，從而降低電荷再分配時電流尖峰造成的損耗。

     謹慎選擇MOSFET也很重要，務必確保底部FET（M4、M8）在安全工作區(qū)域(SoA)內工作。由于兩個網(wǎng)狀電流通過公共MID節(jié)點共享，底部FET所承受的最大電流約為平均相電流的1.5倍。舉個例子：L2斷電時，電流將流過M5。但是，CFLY2也通過M3向L1提供部分能量，因此其返回路徑也將經(jīng)過M5。電流流向參見圖7。

圖7. i1 + i2 = i3，i1 = i2M5接收的電流是其相電流的1.5倍。

中間總線轉換器中的耦合電感

     耦合電感具有整數(shù)比轉換特性，因此是中間總線應用中與混合轉換器配合使用的另一種優(yōu)秀技術。對于兩相耦合電感設計，48 V至12 V轉換的占空比為50%，使得降壓部分工作在陷波頻率下。即使對于更寬的40V至60V（典型）輸入電壓范圍，用耦合電感代替分立電感(DL)仍能獲益。圖8顯示了不同相數(shù)的分立電感和耦合電感的歸一化電流紋波比較。

圖8.對于給定的耦合系數(shù)Lm/Lk，歸一化電流紋波與占空比的關系。

     如圖8所示，對于兩相耦合電感設計，電流紋波在50%占空比時最小。請注意，在不同占空比下，耦合電感的優(yōu)勢并不相同。相數(shù)不同，電流紋波降幅最大化的陷波位置也不同。因此，對于1/4磚設計，考慮輸入電壓范圍和目標輸出電壓非常重要。例如，降壓比為4:1的混合轉換器應使用兩相設計，以使耦合電感的電流紋波降幅最大化，但降壓比為8:1時，由于25%占空比下的陷波，設計人員可能需要考慮使用單個四相耦合電感設計。圖9為單個四相耦合電感的示例。

圖9.單通道四相耦合電感，與四相混合轉換器配合使用時，可實現(xiàn)48 V至6 V轉換。

     在1/4磚設計中使用耦合電感，最重要的影響在于，能在保持效率的同時，使磁元件的尺寸顯著減小。如此一來，混合轉換器不僅能夠適應1/4磚面積，而且仍能以具有競爭力的效率提供非常高的輸出功率。

1/4磚電源應用

QB電源在各行各業(yè)都有應用，包括以下領域。

它常用于電信基礎設施、數(shù)據(jù)中心和網(wǎng)絡設備，為通信系統(tǒng)和網(wǎng)絡交換機供電。

QB電源適用于工業(yè)自動化應用，如電機驅動器、機器人和控制系統(tǒng)。

使用基于混合轉換器的1/4磚電源，可以實現(xiàn)不同的輸出電壓降壓比。借助ADI公司的分立1/4磚參考設計，可以更輕松地使用多個耦合電感來評估最多兩種輸出電壓電平，或將它們并聯(lián)起來以測試是否滿足更高輸出電流要求。圖10顯示了1/4磚部分。

圖10.ADI分立1/4磚參考設計。

結語

     面對日益增長的算力需求，尤其是隨著人工智能的快速增長，傳統(tǒng)數(shù)據(jù)中心已難以滿足需求。為了應對此類挑戰(zhàn)，現(xiàn)代數(shù)據(jù)中心開始采用功率密度更高的新設計，例如48 V架構。與傳統(tǒng)的12 V架構相比，新架構的功率損耗顯著降低。在這一轉變中，起關鍵作用的器件是中間總線轉換器，具體而言就是1/4磚電源。為將高壓直流輸入轉換為各種外設和核心處理器所需的較低電壓，此類緊湊、高效的DC-DC轉換器必不可少。

     QB電源是精簡的高性能電源解決方案，適合多種應用。此類電源以緊湊的設計、高能效和出色的可靠性而聞名，擁有優(yōu)越的功率密度、精準的電壓調節(jié)能力和先進的保護特性，是眾多行業(yè)不可或缺的重要器件。QB電源能夠盡可能提高空間利用率，確?？煽窟\行，并滿足現(xiàn)代電子基礎架構的供電需求。

     ADI公司的混合轉換器及最新的LTC7822，在為數(shù)據(jù)中心供電方面具有顯著優(yōu)勢，不僅效率高、性能穩(wěn)健，而且具備先進的控制特性。憑借優(yōu)化的緊湊外形，并結合耦合電感，LTC7822成為高功率應用領域中頗具競爭力的拓撲方案。增強的可靠性和更低的運行成本，使之成為數(shù)據(jù)中心實現(xiàn)高效、可靠電源管理的理想之選。

     本系列的下一部分將介紹基于LTC7822的1/4磚電源的全面評估，展示收集到的電氣和散熱性能數(shù)據(jù)，并討論如何為高功率應用選擇合適的元器件。

參考文獻

Sam Ben-Yaakov、Michael Evzelman，“Generic and Unified Model of Switched Capacitor Converters”，2009年IEEE能源轉換大會暨展覽會，2009年9月。

Cruz Christian，“48 V技術的魅力：系統(tǒng)級應用中的重要性、優(yōu)勢與關鍵要素”，《模擬對話》，2024年7月。

Michael Evzelman、Shmuel Ben-Yaakov，“Average-Current-Based Conduction Losses Model of Switched Capacitor Converters”，《IEEE電源電子會刊》，第28卷第7期，2012年10月。

Bruce Haug，“72 V混合式DC-DC轉換器使中間總線轉換器的尺寸減小達50%”，《模擬對話》，2018年2月。

Alexandr Ikriannikov，“The Benefits of the Coupled Inductor Technology”，Maxim Integrated，2015年3月。

Alexandr Ikriannikov、Laszlo Lapcsei，“大幅提高48 V至12 V調節(jié)第一級的效率”，ADI公司，2023年12月。

“OpenAI says ChatGPT’s Weekly Users Have Grown to 200 Million”，路透社，2024年8月。

Samuel Webb、Yan-Fei Liu，“A Novel Intermediate Bus Converter Topology for Cutting Edge Data Center Applications”，《中國電氣工程學報》，第6卷第4期，2020年12月。

作者：Karl Audison Cabas，應用工程師

Christian Cruz，資深應用工程師

作者簡介

     Karl Audison Cabas自2020年9月起擔任ADI公司的應用工程師，專注于電源應用方面的工作。他擁有菲律賓理工大學電子工程學士學位和瑪布亞大學電力電子碩士學位。他在DC-DC電源轉換器方面擁有4年多的經(jīng)驗。他之前的職責是處理客戶問詢以及與DC-DC轉換器相關的設計問題。他目前擔任云和數(shù)據(jù)中心應用的電源系統(tǒng)應用工程師。

Christian Cruz是ADI菲律賓公司的資深應用開發(fā)工程師。他擁有菲律賓馬尼拉東方大學的電子工程學士學位。他在模擬和數(shù)字設計、固件設計和電力電子領域擁有超過12年的工程經(jīng)驗，包括電源管理IC開發(fā)以及AC-DC和DC-DC電源轉換。他于2020年加入ADI公司，目前負責支持基于云的計算和系統(tǒng)通信應用的電源管理需求。