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供电网络 (PDN)转向48V的设计挑战和好处

时间:2020-08-13 作者:Eric Wong 阅读:
随着互联网、笔记本电脑和移动电话的出现,通信网络基础架构已变得越来越复杂,因此 48V PDN 基础架构必须为许多由网络处理器阵列、存储器和控制系统负载组成的复杂新型负载供电。这就带来了一项挑战,因为大量的现有技术都集中在12V,半导体转换器及稳压器组件都是针对12V工作电压进行的优化。本文将讨论如何解决该项挑战?
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每一款电子设备或系统都有一个由线缆、母线排、连接器、电路板铜箔电源层以及 AC 至 DC 和 DC 至 DC 转换器及稳压器组成的供电网络 (PDN)。控制 PDN 性能的是其整体架构,例如对AC或DC电压配电的使用、特定电压电和电流等级,以及网络需要进行电压转换和稳压的时间与次数。10FEETC-电子工程专辑

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经过多年的发展,PDN已在很多特定行业中实现了标准化,例如国防与航空航天工业中的 270V 和 28V,通信基础设施应用中的48V以及汽车中使用的12V PDN,这些后来都成了计算机服务器和工业应用中的标准。因此,围绕着标准 PDN 建立起了数十亿美元的产业。10FEETC-电子工程专辑

随着各行业向48V、400V 和 800V 等最新 PDN 过渡,非传统供电架构和技术有很多机会可显著提高性能。10FEETC-电子工程专辑

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企业及高性能计算的先进系统、通信与网络基础设施、自动驾驶汽车以及大量交通运输应用只是高增长行业中需要更大功率的少数几个。随着负载数量和负载功率不断增加,当 PDN 基于12V 时,这些系统对实现高性能提出了复杂的设计挑战。采用更高的电压具有挑战性,而且由于有 12V 长期成功的历史经验和应用,以及建立了几十年的庞大供应链生态系统,因此拒绝改变的理由很充分。10FEETC-电子工程专辑

48V 的出现

电信行业使用48V PDN已有几十年了。48V是最好的选项,因为:10FEETC-电子工程专辑

1.  它是安全超低电压 (SELV),SELV 意味着它具有较低的电击风险;10FEETC-电子工程专辑

2.  可以用细的线缆进行远距离电流传输,线压降较小;10FEETC-电子工程专辑

3.  “常开”要求促使该行业使用12V铅酸蓄电池进行串联提供 48V电压。10FEETC-电子工程专辑

随着互联网、笔记本电脑和移动电话的出现,通信网络基础架构已变得越来越复杂,因此 48V PDN 基础架构必须为许多由网络处理器阵列、存储器和控制系统负载组成的复杂新型负载供电。这就带来了一项挑战,因为大量的现有技术都集中在12V,半导体转换器及稳压器组件都是针对 12V 工作电压进行的优化。10FEETC-电子工程专辑

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为解决这个 48V 至 12V 问题,一种名为中间母线的架构(IBA)被部署起来,并迅速成为通信及网络基础架构应用中的事实标准。中间母线转换器 (IBC) 是隔离式非稳压固定比率 (1/4) 转换器,由几家公司联合开发,采用符合 DOSA 和 POLA 引脚输出标准的开放式框架封装,可实现多源输出。10FEETC-电子工程专辑

IBA属于安全低电压,因此安规上并不要求隔离。为了避免电极腐蚀,将电池的正极接地,从而产生了-48V电压。而通过隔离型IBC, 可以将-48V总线电压转换为+12V,为下游的负载供电。将隔离式固定比率母线转换器用作 DC-DC 变压器,随后使用 a-ve 48V 输入为下游负载点 (PoL) 稳压器提供 +12V 输出。10FEETC-电子工程专辑

数据中心的人工智能 (AI) 等高级应用正在推动数据中心从 12V 转向 48V PDN 并从 IBA 转向新的架构。处理器及相关服务器机架功率级的显著提升已轻松超过了 12V 和 IBA 所能达到的水平。10FEETC-电子工程专辑

对于汽车市场而言,满足要求降低汽车 CO2 排放的立法和新标准的需求,是探索汽车电气化的催化剂。这催生了48V电池,以支持全新轻度混合动力系统、安全及娱乐系统设计。10FEETC-电子工程专辑

更高电压的全新 PDN

随着更高系统功率需求的出现,基于 380V 和 48V 的 PDN 现已变得更加复杂,因为许多行业仍试图在负载点保留原有的 12V PDN 基础架构。其它 PDN 挑战来自新的大功率电源电源,如纯电动 (EV) 汽车及高性能汽车中的 800V 电池等。10FEETC-电子工程专辑

在这些新系统及新应用中,供电可分为三个基本部分:10FEETC-电子工程专辑

1.  大功率电源转换为 48V;10FEETC-电子工程专辑

2.  中间母线在48V下供电,然后进行转换,有时候会稳压至 12V;10FEETC-电子工程专辑

3.  负载点电源从12V或者48V电压进行转换,为负载供电。10FEETC-电子工程专辑

大功率电源

大功率电源转换为中间 48V PDN 的创新机会主要看以下几个方面:10FEETC-电子工程专辑

1.  实现更高功率密度;10FEETC-电子工程专辑

2.  使用模块化方法实现冗余及可扩展性;10FEETC-电子工程专辑

3.  通过散热良好的平面封装实现高级散热技术;10FEETC-电子工程专辑

4.  采用高效率的固定比率转换器,由下游组件实现稳压功能。10FEETC-电子工程专辑

随着功率级的不断提高,大功率电源系统设计的挑战现已变得越来越复杂。管理大功率电源转换器的尺寸和重量,并针对高功耗进行散热,是大多数应用关注的主要方面。如果尺寸和重量不是问题,就可实现非常高的效率并可通过风扇散热实现热管理。10FEETC-电子工程专辑

然而,大多数应用都在要求提高功率密度。电源系统工程师应该考虑使用电源模块设计和构建这些大功率转换器的优势,而不是从头构建分立式设计。电源模块与创新架构、拓扑、控制系统及封装相结合,可提供改善大功率 PDN 性能的新方法。10FEETC-电子工程专辑

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如果大功率源为 AC 或高压 DC,则需要隔离。在任何转换器中,隔离级都会增加功耗,但如果中间母线 PDN 包含 PoL 级(即 48V 至 12V)的稳压,则可能不需要稳压。这种方法有两个考虑因素:10FEETC-电子工程专辑

1.  电源的输入范围(固定比率转换器会根据其匝数比或 K 因数将该输入电压反映至输出,就像变压器一样)和下游转换器/稳压器的输入电压范围。10FEETC-电子工程专辑

2.  对于三相 AC 电源,系统是否需要功率因数校正 (PFC)。10FEETC-电子工程专辑

数据中心和百亿亿次计算通常需要在有限的空间内获得最大的处理能力,因此它们从高密度组件及先进的散热技术中获得了极大的优势。在某些情况下,完全浸入式散热是将整个服务器部署在一个氟惰性溶液槽中。另外,其它高性能计算应用也在开发利用热导管和冷却板散热技术。在这些应用中,大功率电源系统的电源转换及稳压级都需要纤薄的平面封装。10FEETC-电子工程专辑

中间母线及负载点供电的创新

要为48V中间母线 PDN 实现创新,主要看以下几个方面:10FEETC-电子工程专辑

1.  利用非隔离固定比率母线转换器实现 48V 至 12V 的转换;10FEETC-电子工程专辑

2.  部署高功率密度的稳压电源模块转换器;10FEETC-电子工程专辑

3.  整合比 IBA 性能高的架构:分比式电源架构 (FPA)。10FEETC-电子工程专辑

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从12V 中间母线 PDN 过渡到 48V PDN,既有挑战,也有优势。最大限度提升尽可能接近 PoL 稳压器的 48V 供电,将减少线缆、连接器和 PCB 铜箔电源层、尺寸、重量以及成本。PoL 空间限制一般都存在问题,因此转换器必须具备高功率密度和高效率。只要 PoL 稳压器可以处理其输入端电压变化(等于母线转换器的电压输入范围除以匝数比或 K 因数 (VIN / K = VOUT)),非隔离式固定比率母线转换器就是最好的选项。如果大功率电源转换器设计有合理的稳压公差,那么这种设计方法不仅可行,而且很有优势。10FEETC-电子工程专辑

有些设计中大功率电源转换器或大容量电源(如 48V 电池)具有宽输出电压范围,则可能需要根据 PoL 稳压器输入电压规格使用稳压 DC -DC 转换器。在 48V 至 12V 阶段增加稳压,可能会将转换器效率降低 2% 到 4%,具体要看拓扑。10FEETC-电子工程专辑

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为了真正推动 PDN 设计发展,显著提高 PoL 的性能和高电流密度,我们需要考虑一种全新的架构,那就是Vicor分比式电源架构 (FPA)。在FPA中, 有一种名为电流倍增器的新型转换器,其不仅可高效率、高密度地直接将 48V 转换为负载电压,而且还可部署在离负载很近的位置。这在大电流应用中很有优势,因为它可降低转换器至负载之间的 PDN 阻抗,该阻抗不仅造成了高的导通损耗,也会影响负载的di/dt瞬态性能。10FEETC-电子工程专辑

电流倍增器是固定比率转换器,因此需要一个上游稳压级来完成 FPA 设计。为了在最小化功耗的同时,最大限度提高效率和密度,稳压器模块的工作输入和输出电压均设置为 48V,所选的电流倍增器 K 因数可为负载提供所需的输出电压。10FEETC-电子工程专辑

随着许多行业功率等级的提升,采用更高电压的PDN可减少挑战,但也会增加复杂性。电源系统工程师应该评估来自新供应商的新拓扑和架构,以实现显著的系统性能优势。发展、进步及创新总是需要新思维、新理念和新方法。当您的业务需求变革时,要接受一切可能。探索和研究备选方案,在很多方面都是值得的。10FEETC-电子工程专辑

作者:Eric Wong,Vicor亚太区董事总经理、市场营销副总裁10FEETC-电子工程专辑

责编:Amy Guan10FEETC-电子工程专辑

(本文由Vicor供稿,电子工程专辑对文中陈述、观点保持中立)  10FEETC-电子工程专辑

本文为《电子工程专辑》2020年8月刊杂志文章,版权所有,禁止转载。点击申请免费杂志订阅  10FEETC-电子工程专辑

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