【导读】将54 V电压转换为适合的12 V电压是一项颇具挑战性的使命，需要新型转换器拓扑来开发改进的高机能电源。此外，为了顺应最新的数据中央及超年夜范围架构，尺寸必需很小，是以1/4砖的小尺寸规格是抱负选择。本文将切磋ADI公司的参考设计怎样解决效率、功率损耗、散热、通用封装设计等要害问题，从而于同类产物中脱颖而出。别的，还有会会商这些上风对于体系运用的踊跃影响。 简介 于数字信息盛行、社交互动频仍确当今时代，设计精巧且运作高效的数据中央显患上尤为主要。咱们所依靠的收集、存储及全世界互联办事都由数据中央来提供。让数据中央连结平稳运行，对于在防止数据中止及毁坏至关主要。然而，市场对于算力的需求不停爬升，数据中央的利用量每一年都于快速增加，老旧的数据中央已经经不胜重负，将近靠近运营负荷的极限。例如，于人工智能(AI)范畴，年夜语言模子的周活跃用户数于不到一年的时间里就翻了一番。响应地，市场对于更高功率密度的需求也日趋增加，进而需要更稳健及高机能的电源转换器。 为了撑持越发强盛的办事器、收集装备及存储体系，数据中央不停扩大，电力需求连续上升，从输电路线到机架内部的可用直流电压，触及多级电源转换。于数据中央内，传统架构凡是将整流后的交流电压转换为12 V DC，作为主板内部的重要电源。然而，12 V DC架构效率低下的问题日趋凸显，没法满意电路板内的主电源供电需求。若将输入电压提高到48 V，则PCB两头的I2R损耗至多可降为本来的1/16，转换损耗将年夜幅降低，并且48 V电压仍属在安全特低电压(SELV)。 是以，中间总线转换器是现代数据中央电源架构中的要害器件，它将主电源（如UPS不间断电源）提供的48 V电压总线转换为现有的中间总线电压（5 V、12 V架构）及负载点(POL)稳压器的输入电压。这类电源被称为中间总线转换器(IBC)。IBC有多种功率容量及尺寸，此中一种常见的类型是1/4砖(QB)电源。 1/4砖电源(QB PS)是一种紧凑、高效的DC-DC转换器模块，于现代电源体系中饰演着至关主要的脚色。它将高压直流输入转换为相对于较低的电压，从而为主板内部的各类外设及焦点处置惩罚器供电。“1/4砖”是指这类电源的外形小巧，且呈矩形。此类电源凡是占用约莫58.4 妹妹 × 36.8 妹妹（2.3英寸× 1.45英寸）的PCB面积，高度凡是约为14.5 妹妹（0.57英寸）。QB PS虽然尺寸小巧，但效率很高，而且可以轻松集成到现有电源体系中。 此类电源广泛运用在数据中央，因其尺寸小及效率高的特色，成为办事器机架、收集互换机、透风体系、整流器及备用电池的抱负选择。依附多功效性及精彩的靠得住性，QB电源是满意现代电子基础架构电源需求的抱负解决方案。QB电源的输入电压规模凡是为40 V至60 V，也有一些型号撑持其他的输入电压规模。此类电源使用开关技能，高效地将输入电压调治及转换为较低的不变输出电压，凡是为9 V至16 V。输出电压可以按照详细需求而变化。 1/4砖电源的重要特征凡是包括： 高效率 此类电源可以或许使转换效率最年夜化。转换损耗应低在传统12 V DC架构的I2R损耗。 宽输入电压规模 此类电源可以接管宽规模的输入电压，于是与各类电源兼容。典型的标称输入电压规模于48 VDC至54 VDC之间，扩大规模为40 V DC到60 V DC。 掩护机制 此类电源具备过压掩护、过流掩护、短路掩护及热关断等掩护特征，可以掩护电源及相连装备。 散热治理 高效散热是保障靠得住运行的要害。QB电源凡是内置散热治理功效，好比使用散热器或者集成电扇来调治温度。 长途检测 某些型号撑持长途检测，可赔偿输出线缆酿成的电压降，确保负载得到切确不变的电压。 PMBus®及高级节制功效 很多QB电源提供高级节制功效，例如电压微调、长途开/关节制、与其他电源模块举行同步等。 可扩大性 QB电源该当易在扩大，即只需对于电路举行极少量改动就能实现扩大。并且，QB电源可以配置为并联操作以满意差别的功率需求，而且可以处置惩罚预偏置启动，以实现热插拔功效。 选择QB电源时，必需思量多种因素，例如输入/输出电压要求、负载电流、效率、事情温度规模、合用在方针运用的特定行业认证或者尺度等。而QB参考设计具有了所有这些特征，合适需要不变高效供电的高要求运用。 QB电源的要害构成部门包括输入滤波器、输出滤波器、一些反馈节制电路以和掩护机制，此中掩护机制可以包罗于节制器或者电源治理IC (PMIC)中。拜见图1。 图1.ADI1/4砖PSU框图。 QB电源的上风 小尺寸 QB电源的重要上风之一是其形状紧凑，于是于尺寸受限的运用中，它能使空间获得有用使用。 高功率密度 QB电源只管体积很小，但具备高功率密度，可以或许提供相称年夜的功率输出。 效率 跟着电源转换技能的前进，QB电源实现了高效率程度，削减了能量华侈，并尽可能降低了发烧量。 散热治理 QB电源凡是看重散热治理设计，例如采用可加装散热器的扁平基板，以确保于具备挑战性的热情况中实现抱负的运行机能及靠得住性。 图2.将SS及ISHARE引脚相连，LTC7822 QB电源即可实现并联。 靠得住性及耐用性 此类电源的设计切合严酷的行业尺度，纵然于卑劣的事情前提下也能确保恒久的靠得住性及耐用性。 供给链韧性 差别厂商的QB电源引脚采用通用封装(CFP)，于是彼此兼容，由此确保了出产供给链的韧性，呈现妨碍时也便在提供售后撑持。 基在LTC7822的QB电源的重要特征 宽输入电压规模 QBM电源凡是撑持宽输入电压规模，可以或许与各类电源兼容。 输出电压调治 此类电源提供切确不变的输出电压调治能力，确保于差别负载前提下连结机能一致。 高功率密度 此类电源的拓扑经由过程增长一个开关电容部门将输入电压减半，从素质上缩小了电感的尺寸。 可扩大 此类电源的拓扑是一种电流模式电源，将软启动引脚及赔偿引脚相连，便可轻松实现并联。这类拓扑降低了并联操作的繁杂性。图2显示了各个QB并联的示例。 掩护机制 QBM电源集成为了过压掩护(OVP)、过流掩护(OCP)、短路掩护(SCP)及热关断等掩护特征，可以或许提防电气妨碍并避免相连装备受损。 靠得住性 因为存于电容分压布局，这类拓扑自身就可以掩护任何下一级下流转换器免受直流高电压的影响。纵然最顶部的FET掉效，也会形身分压布局，以避免下流转换器发生妨碍。 采用QB拓扑的混淆转换器 QB电源是一种DC-DC转换器，可将40 V至60 V的输入电压转换为12 V的不变输出电压。这类设计使用了一种繁杂的架构，联合了软开关电荷泵分压器及同步降压(buck)转换器拓扑。软开关电荷泵会以很是低的转换损耗将输入电压减半，是以降压部门仅需于VIN/2电平（即MID引脚电压）下举行硬开关操作（图3）。经由过程这类方式，可以实现高效的电源转换，并缩小输出端电感。此方案的价钱是须将一个电容用作另外一个储能元件，但经由过程优化额定值及尺寸，混淆转换器机能可以逾越市道上的年夜大都通例拓扑。本文将会商混淆转换器作为一种高效拓扑的缘故原由和其事情道理。 图3.飞跨电容及中间电容两头的电压。 对于在1/4砖运用，混淆转换器于功率传输及功率密度之间取患了优良的均衡。典型的固定比率开关电容于高功率密度及低输出功率程度下很是高效。例如，LTC7820于28 妹妹 × 28 妹妹 PCB面积长进行48 V至24 V转换时，效率高达99%（图4）。然而，这类设计只能撑持约莫300 W到600 W的输出功率。 要于不降低效率的环境下实现更高的输出功率，需要思量再并联一个开关电容转换器及更多的陶瓷电容，于是需要更年夜的PCB面积。这会极年夜地影响功率密度，而且24 V至12 V DC转换需要第二级电路。为此，咱们可以采用另外一种开关电容拓扑，使用Dickson转换器来实现单级4:1降压比。此拓扑需要用到分外的开关，但也存于一样的问题，即跨越600 W时需要更多陶瓷电容，当运用需要更年夜输出电流时会影响可扩大性。 图4.采用LTC7820的48 VIN至24 VOUT、20 A开关电容转换器。 稳压混淆转换器是更合适1 kW功率级另外拓扑，由于它能于有限的PCB面积下提供更高输出电流。开关电容部门将转换主输入电压线，而不处置惩罚年夜部门电流转换。主输出电流转换由降压部门负担，飞跨电容尺寸及电感尺寸患上以减小。对于在1/4砖形状，固定尺寸为58.4 妹妹 × 36.8 妹妹，于是PCB面积至关主要。图5显示了1/4砖尺寸的四相混淆转换器的参考元件安插。 LTC7822是一款高机能、两相混淆式降压DC-DC节制器，专为高密度电源运用而设计。它所采用的拓扑如图6所示，包罗两相，但年夜年夜削减了每一瓦所需的电容元件数，由于一相的飞跨电容身兼两职：(1) 用作其互补相的电容分压器，(2) 用作其自身相的主储能元件之一。云云一来，每一相所需的中间电容数目年夜年夜削减。这款器件的单芯片功率输出可达1 kW，年夜在不异面积下任何典型开关电容拓扑的输出功率。 图5.四相2 kW混淆转换器，采用LTC7822以顺应1/4砖PCB面积。 图6.CFLY1及CFLY2充任电容分压器。 当奇数FET（M一、M三、M五、M7）导通时，互补FET（M二、M四、M六、M8）关断。于开关切换历程中，CFLY1由输入电压供电，并经由过程VMID节点与CFLY2串联。这两个飞跨电容应具备不异的容值，以确保平均电压相等，从而降低电荷再分配时电流尖峰酿成的损耗。 审慎选择MOSFET也很主要，务必确保底部FET（M四、M8）于安全事情区域(SoA)内事情。因为两个网状电畅通过大众MID节点同享，底部FET所蒙受的最年夜电流约为平均相电流的1.5倍。举个例子：L2断电时，电流将流过M5。可是，CFLY2也经由过程M3向L1提供部门能量，是以其返回路径也将颠末M5。电流流向拜见图7。 图7. i1 + i2 = i3，i1 = i2M5吸收的电流是其相电流的1.5倍。 中间总线转换器中的耦合电感 耦合电感具备整数比转换特征，是以是中间总线运用中与混淆转换器共同利用的另外一种优异技能。对于在两相耦合电感设计，48 V至12 V转换的占空比为50%，使患上降压部门事情于陷波频率下。纵然对于在更宽的40V至60V（典型）输入电压规模，用耦合电感取代分立电感(DL)仍能获益。图8显示了差别相数的分立电感及耦合电感的归一化电流纹波比力。 图8.对于在给定的耦合系数Lm/Lk，归一化电流纹波与占空比的瓜葛。 如图8所示，对于在两相耦合电感设计，电流纹波于50%占空比时最小。请留意，于差别占空比下，耦合电感的上风其实不不异。相数差别，电流纹波降幅最年夜化的陷波位置也差别。是以，对于在1/4砖设计，思量输入电压规模及方针输出电压很是主要。例如，降压比为4:1的混淆转换器应利用两相设计，以使耦合电感的电流纹波降幅最年夜化，但降压比为8:1时，因为25%占空比下的陷波，设计职员可能需要思量利用单个四相耦合电感设计。图9为单个四相耦合电感的示例。 图9.单通道四相耦合电感，与四相混淆转换器共同利用时，可实现48 V至6 V转换。 于1/4砖设计中利用耦合电感，最主要的影响于在，能于连结效率的同时，使磁元件的尺寸显著减小。云云一来，混淆转换器不仅可以或许顺应1/4砖面积，并且仍能以具备竞争力的效率提供很是高的输出功率。 1/4砖电源运用 QB电源于各行各业都有运用，包括如下范畴。 它经常使用在电信基础举措措施、数据中央及收集装备，为通讯体系及收集互换机供电。 QB电源合用在工业主动化运用，如机电驱动器、呆板人及节制体系。 利用基在混淆转换器的1/4砖电源，可以实现差别的输出电压降压比。借助ADI公司的分立1/4砖参考设计，可以更轻松地利用多个耦合电感来评估至多两种输出电压电平，或者将它们并联起来以测试是否满意更高输出电流要求。图10显示了1/4砖部门。 图10.ADI分立1/4砖参考设计。 结语 面临日趋增加的算力需求，特别是跟着人工智能的快速增加，传统数据中央已经难以满意需求。为了应答此类挑战，现代数据中央最先采用功率密度更高的新设计，例如48 V架构。与传统的12 V架构比拟，新架构的功率损耗显著降低。于这一改变中，起要害作用的器件是中间总线转换器，详细而言就是1/4砖电源。为将高压直流输入转换为各类外设及焦点处置惩罚器所需的较低电压，此类紧凑、高效的DC-DC转换器必不成少。 QB电源是精简的高机能电源解决方案，合适多种运用。此类电源以紧凑的设计、高能效及精彩的靠得住性而著名，拥有优胜的功率密度、精准的电压调治能力及进步前辈的掩护特征，是浩繁行业不成或者缺的主要器件。QB电源可以或许尽可能提高空间使用率，确保靠得住运行，并满意现代电子基础架构的供电需求。 ADI公司的混淆转换器和最新的LTC7822，于为数据中央供电方面具备显著上风，不仅效率高、机能稳健，并且具有进步前辈的节制特征。依附优化的紧凑形状，并联合耦合电感，LTC7822成为高功率运用范畴中颇具竞争力的拓扑方案。加强的靠得住性及更低的运行成本，使之成为数据中央实现高效、靠得住电源治理的抱负之选。 本系列的下一部门将先容基在LTC7822的1/4砖电源的周全评估，展示网络到的电气及散热机能数据，并会商怎样为高功率运用选择适合的元器件。 参考文献 Sam Ben-Yaakov、Michael Evzelman，“Generic and Unified Model of Switched Capacitor Converters”，2009年IEEE能源转换年夜会暨博览会，2009年9月。 Cruz Christian，“48 V技能的魅力：体系级运用中的主要性、上风与要害要素”，《模仿对于话》，2024年7月。 Michael Evzelman、Shmuel Ben-Yaakov，“Average-Current-Based Conduction Losses Model of Switched Capacitor Converters”，《IEEE电源电子会刊》，第28卷第7期，2012年10月。 Bruce Haug，“72 V混淆式DC-DC转换器使中间总线转换器的尺寸减小达50%”，《模仿对于话》，2018年2月。 Alexandr Ikriannikov，“The Benefits of the Coupled Inductor Technology”，Maxim Integrated，2015年3月。 Alexandr Ikriannikov、Laszlo Lapcsei，“年夜幅提高48 V至12 V调治第一级的效率”，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”，《中国电气工程学报》，第6卷第4期，2020年12月。 作者简介 Karl Audison Cabas自2020年9月起担当ADI公司的运用工程师，专注在电源运用方面的事情。他拥有菲律宾理工年夜学电子工程学士学位及玛布亚年夜学电力电子硕士学位。他于DC-DC电源转换器方面拥有4年多的经验。他以前的职责是处置惩罚客户问询以和与DC-DC转换器相干的设计问题。他今朝担当云及数据中央运用的电源体系运用工程师。 Christian Cruz是ADI菲律宾公司的资深运用开发工程师。他拥有菲律宾马尼拉东方年夜学的电子工程学士学位。他于模仿及数字设计、固件设计及电力电子范畴拥有跨越12年的工程经验，包括电源治理IC开发以和AC-DC及DC-DC电源转换。他在2020年插手ADI公司，今朝卖力撑持基在云的计较及体系通讯运用的电源治理需求。 
