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提高 48V 配電性能

作者:Phil Davies,Vicor 公司時間:2020-02-26來源:電子產品世界收藏

配電網絡 (PDN) 是所有電源系統的主干部分。隨著系統電源需求的不斷上升,傳統 PDN 承受著提供足夠性能的巨大壓力。對于功耗和熱管理而言,主要有兩種方法可以改善 PDN 對電源系統性能的影響。一是使用更大線纜、連接器和更厚主板電源層減少 PDN 電阻;二是在給定的傳輸功率下,提高 PDN 電壓以減小電流,這允許使用更小的線纜、連接器和更薄的主板銅箔電源層,從而可縮減相應的尺寸、成本和重量。

本文引用地址:http://www.opuaih.live/article/202002/410312.htm

多年來,工程師一直使用第一種方法,因為該方法與數十年來為單相 AC 及 12V DC-DC 轉換器及穩壓器構建的大型生態系統兼容。其它原因還包括 DC-DC 轉換器拓撲性能不足,無法高效將更高電壓直接轉換為負載點 (PoL) 電壓,以及這些電壓更高的轉換器及穩壓器的相關費用等。

然而,現代電源設計使用第二種方法的越來越多,提高 PDN 電壓。這一趨勢的推動力源于系統負載功率的顯著提升。以數據中心為例,人工智能 ()、機器學習和深度學習的加入,使機架功率迅速上升到了兩倍,達到 20kW范圍,而超級計算機機架則已接近 100kW 或更高。

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理想的負載點電源系統。穩壓器在 Vin = Vout 時提供最高效率。大電流供電最接近負載點時效率最高,從而可最大限度降低 I2R 損耗。

這一電源需求的增長促使系統工程師對其整個 PDN 進行了重新評估,從機架到機架內部的配電,乃至刀片上的 PDN,無一例外,因為現代 CPU 和 處理器功耗更大。機架功率為 5kW 水平時,單相 AC到機架 是正常的。然后將 AC 轉換為 12V,配送給刀片。功率為 5kW 時,PDN 電流為 416A (5kW/12V),配電通過大量線纜進行。

處理器功率大約從 2015 年開始急劇上升,因此機架電源上升到了 12kW。所以,必須在 12V PDN 的機架內對 1kA 電流進行管理。OCP (開放計算項目) 聯盟成員主要包括云計算、服務器和 CPU公司,該聯盟將一如既往地發展其 12V 機架設計。OCP 機架從線纜轉移到了母線排,并在機架內分配多個單相 AC 至 12V 轉換器,以最大限度縮減機架到服務器刀片的PDN距離以及阻抗。與以往機架供電的主要差異是,以前來自于機架饋電的單相交流電為三相中的單相。

能夠構建其自己的機架及數據中心解決方案的公司開始轉而采用 48V 配電。這一策略將 12kW 機架的大電流 PDN 問題削減到了 250A,但為刀片服務器的功率轉換帶來了新的難題。

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通過“最后一英寸”傳輸大電流,為高功率處理器設置了障礙。Vicor 技術不僅可提高這一性能,而且還可簡化主板設計。

機架電源超過 20kW 的范圍時,服務器機架 PDN 設計將不斷發展。人們為了維持 12V 原有系統的現狀,在許多方面都得有創新,但數據中心引入的處理器穩態電流超過 1000安培、峰值電流接近 2000安培時,就會讓基于 12V傳統的 PDN 不切實際。AI 的核心是性能,而 12V PDN 則會限制性能和競爭力。

為了解決高功率機架的諸多難題,OCP 聯盟正在向可容納 48V PDN 的機架發展。從 12V 配電轉向 48V,可將輸入電流需求降低 4 倍 (P=V×I),將損耗銳減 16 倍(功耗 = I2R)。此外,汽車、5G、LED 照明和顯示屏市場以及工業應用,也在向 48V 配電轉型。因此,48V 電源轉換器生態系統正在迅猛發展,轉用 48V有很好的商業意義。但不是所有的 48V 轉換器拓撲及架構都相同。48V 轉換器市場性能參差不齊,這是一個值得仔細考慮的實際情況。

由于高性能和電源效率位列高功率機架及數據中心需求的榜首,有幾家公司正在采用三相 AC 至 48V,為服務器刀片配電。另外,也可使用機架內分配的高電壓 DC(380V,源自整流三相輸入)。多家高性能計算公司正在將 HVDC PDN 用于功率高達 100kW 的機架。

為服務器刀片供電的 PDN 轉換為 48V 時,刀片上的電源轉換也必須改變。這種轉變導致了DC-DC 轉換器與穩壓器在架構、拓撲與封裝的多種選擇。

48V 模式對于數據中心服務器而言還很陌生,但在路由器和網絡交換機等通信應用中卻很普及,因為它們使用的是可充電的 48V 鉛酸備用電池系統。數據中心服務器中以前使用的通用架構叫中間母線架構或IBA。IBA 包括隔離式非穩壓母線轉換器,可將 -48V 轉換為 +12V,提供給一系列多相降壓穩壓器,用于負載點。一些云計算公司和 HPC 公司最初為其 48V 系統復制了這一架構,但在功率增加而 PoL 電壓降至 1V 以下時,設計人員開始尋找可替代的架構和拓撲。

電源系統架構、開關拓撲和封裝對于高性能高密度設計而言非常重要。隨著 AI 及 CPU 處理器電流的增加,由于穩壓器和 PoL 之間的PDN 電阻影響,PoL處功率傳遞電路的密度成為人工智能應用中最關鍵的元素。

業界一流的最新 AI 處理器具有大約 1kA 的穩態電流,峰值電流達 1.5kA 至 2kA。考慮到處理器常規多相降壓穩壓器輸出的典型 PDN 電阻在 200 至 400μΩ 之間,所帶來的 PCB 功耗為穩態 (P = I2R) 200-400W,對于任何系統來說,都太高了,根本無法處理。

PDN 損耗成了 DC-DC 穩壓器設計效率及性能的主導因素。這是一個負載點問題,而且提高電壓根本不現實(PoL 電壓在快速下降,以維持摩爾定律的有效性),因此唯一可行的方法是減少 PDN 電阻,將穩壓器盡量靠近處理器布置。在多相降壓穩壓器的案例中,通常會占用 16-24 個相位,才能支持 AI 處理器的大電流。這不是一種高電流密度方案,無法解決 PDN 功耗問題。

分比式電源架構

IBA 的替代方案是 Vicor 的分比式電源架構 (FPA),它包含前置穩壓級 (PRM)和緊隨其后的變壓級 (VTM)。這一專有架構可優化每個階段的性能。PRM 執行非隔離(48V 為安全超低電壓 SELV)穩壓。其 48V 輸入經過嚴格穩壓,可提供 48V 輸出,所需的 PoL 電壓在 VTM 中轉換,VTM 是一款固定比率轉換器,輸出電壓為輸入電壓的固定比例。

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MCM 模塊能夠提供大電流,其可緊挨著處理器部署,可以在主板上,也可以在處理器基板上。這種近距離布置不僅可最大限度降低 PDN 損耗,而且還可減少電源所需的處理器基板 BGA 引腳。

這種架構及其性能都可通過 PRM 及 VTM 中使用的專有拓撲增強。PRM 使用零電壓開關拓撲,而 VTM 則使用專有諧振高頻率正弦振幅轉換器 (SAC) 拓撲。轉換為 PoL 電壓,可使用零電壓和零電流開關。VTM 實際上是一款 DC-DC 變壓器,電壓以 1/K 的比率降低,電流則按 K 因數增加。VTM也叫電流倍增器,是一種高電流密度 PoL 轉換器。(新產品目前可達到 2A/mm2。)它可緊挨著處理器布置,因為它采用創新 ChiP 封裝技術并支持高密度集成磁組件。

這種水平的高電流密度可為設計人員提供極大的靈活性。工程師可根據處理器電流,在橫向供電或縱向供電(LPD 及 VPD)之間做出選擇。在 LPD 中,電流倍增器布置在 AI 處理器的幾毫米范圍內,可在同一個基板上,也可以直接在主板上,從而可將 PDN 電阻降至大約 50μΩ。

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縱向供電 (VPD) 可進一步消除配電損耗及 VR PCB 板面占用。VPD 與 Vicor LPD 解決方案類似,在電流倍增器或 GCM 模塊中增加了對旁路電容的集成。

為了進一步提高性能,VPD 將電流倍增器移到了處理器的正下方,在那里其輸出功率引腳位圖與其上方的處理器電源引腳的間距和位置非常吻合。此外,電流倍增器封裝還集成高頻率大容量電容器,其一般位于主板或基板上的處理器的正下方。這種電流倍增器叫齒輪傳動電流倍增器(GCM)。VPD 可將 PDN 電阻降至令人難以置信的5 至 7μΩ,從而可幫助 AI 處理器實現其真正的性能。

對于如此復雜的電源問題,一個整體的設計方法才能確保獲得成功的高性能結果。需要對架構、拓撲以及封裝進行創新,才能解決最艱巨的電源挑戰。提高 PDN 的電壓,可解決大量系統性能挑戰。降低 PDN 電阻是開啟新一代 HPC 電源大門、兌現 AI 承諾的關鍵。

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