提高 48V 配電性能

配電網(wǎng)絡(luò) (PDN) 是所有電源系統(tǒng)的主干部分。隨著系統(tǒng)電源需求的不斷上升，傳統(tǒng) PDN 承受著提供足夠性能的巨大壓力。對(duì)于功耗和熱管理而言，主要有兩種方法可以改善 PDN 對(duì)電源系統(tǒng)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(yīng)的尺寸、成本和重量。

多年來，工程師一直使用第一種方法，因?yàn)樵摲椒ㄅc數(shù)十年來為單相 AC 及 12V DC-DC 轉(zhuǎn)換器及穩(wěn)壓器構(gòu)建的大型生態(tài)系統(tǒng)兼容。其它原因還包括 DC-DC 轉(zhuǎn)換器拓?fù)湫阅懿蛔?，無法高效將更高電壓直接轉(zhuǎn)換為負(fù)載點(diǎn) (PoL) 電壓，以及這些電壓更高的轉(zhuǎn)換器及穩(wěn)壓器的相關(guān)費(fèi)用等。

然而，現(xiàn)代電源設(shè)計(jì)使用第二種方法的越來越多，提高 PDN 電壓。這一趨勢(shì)的推動(dòng)力源于系統(tǒng)負(fù)載功率的顯著提升。以數(shù)據(jù)中心為例，人工智能 (AI)、機(jī)器學(xué)習(xí)和深度學(xué)習(xí)的加入，使機(jī)架功率迅速上升到了兩倍，達(dá)到 20kW范圍，而超級(jí)計(jì)算機(jī)服務(wù)器機(jī)架則已接近 100kW 或更高。

理想的負(fù)載點(diǎn)電源系統(tǒng)。穩(wěn)壓器在 V_in = V_out 時(shí)提供最高效率。大電流供電最接近負(fù)載點(diǎn)時(shí)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(zhǎng)促使系統(tǒng)工程師對(duì)其整個(gè) PDN 進(jìn)行了重新評(píng)估，從機(jī)架到機(jī)架內(nèi)部的配電，乃至服務(wù)器刀片上的 PDN，無一例外，因?yàn)楝F(xiàn)代 CPU 和 AI 處理器功耗更大。機(jī)架功率為 5kW 水平時(shí)，單相 AC到機(jī)架 是正常的。然后將 AC 轉(zhuǎn)換為 12V，配送給服務(wù)器刀片。功率為 5kW 時(shí)，PDN 電流為 416A (5kW/12V)，配電通過大量線纜進(jìn)行。

處理器功率大約從 2015 年開始急劇上升，因此機(jī)架電源上升到了 12kW。所以，必須在 12V PDN 的機(jī)架內(nèi)對(duì) 1kA 電流進(jìn)行管理。OCP (開放計(jì)算項(xiàng)目) 聯(lián)盟成員主要包括云計(jì)算、服務(wù)器和 CPU公司，該聯(lián)盟將一如既往地發(fā)展其 12V 機(jī)架設(shè)計(jì)。OCP 機(jī)架從線纜轉(zhuǎn)移到了母線排，并在機(jī)架內(nèi)分配多個(gè)單相 AC 至 12V 轉(zhuǎn)換器，以最大限度縮減機(jī)架到服務(wù)器刀片的PDN距離以及阻抗。與以往機(jī)架供電的主要差異是，以前來自于機(jī)架饋電的單相交流電為三相中的單相。

能夠構(gòu)建其自己的機(jī)架及數(shù)據(jù)中心解決方案的公司開始轉(zhuǎn)而采用 48V 配電。這一策略將 12kW 機(jī)架的大電流 PDN 問題削減到了 250A，但為刀片服務(wù)器的功率轉(zhuǎn)換帶來了新的難題。

通過“最后一英寸”傳輸大電流，為高功率處理器設(shè)置了障礙。Vicor 技術(shù)不僅可提高這一性能，而且還可簡(jiǎn)化主板設(shè)計(jì)。

機(jī)架電源超過 20kW 的范圍時(shí)，服務(wù)器機(jī)架 PDN 設(shè)計(jì)將不斷發(fā)展。人們?yōu)榱司S持 12V 原有系統(tǒng)的現(xiàn)狀，在許多方面都得有創(chuàng)新，但數(shù)據(jù)中心引入AI的處理器穩(wěn)態(tài)電流超過 1000安培、峰值電流接近 2000安培時(shí)，就會(huì)讓基于 12V傳統(tǒng)的 PDN 不切實(shí)際。AI 的核心是性能，而 12V PDN 則會(huì)限制性能和競(jìng)爭(zhēng)力。

為了解決高功率機(jī)架的諸多難題，OCP 聯(lián)盟正在向可容納 48V PDN 的機(jī)架發(fā)展。從 12V 配電轉(zhuǎn)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(chǎng)以及工業(yè)應(yīng)用，也在向 48V 配電轉(zhuǎn)型。因此，48V 電源轉(zhuǎn)換器生態(tài)系統(tǒng)正在迅猛發(fā)展，轉(zhuǎn)用 48V有很好的商業(yè)意義。但不是所有的 48V 轉(zhuǎn)換器拓?fù)浼凹軜?gòu)都相同。48V 轉(zhuǎn)換器市場(chǎng)性能參差不齊，這是一個(gè)值得仔細(xì)考慮的實(shí)際情況。

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

為服務(wù)器刀片供電的 PDN 轉(zhuǎn)換為 48V 時(shí)，刀片上的電源轉(zhuǎn)換也必須改變。這種轉(zhuǎn)變導(dǎo)致了DC-DC 轉(zhuǎn)換器與穩(wěn)壓器在架構(gòu)、拓?fù)渑c封裝的多種選擇。

48V 模式對(duì)于數(shù)據(jù)中心服務(wù)器而言還很陌生，但在路由器和網(wǎng)絡(luò)交換機(jī)等通信應(yīng)用中卻很普及，因?yàn)樗鼈兪褂玫氖强沙潆姷?48V 鉛酸備用電池系統(tǒng)。數(shù)據(jù)中心服務(wù)器中以前使用的通用架構(gòu)叫中間母線架構(gòu)或IBA。IBA 包括隔離式非穩(wěn)壓母線轉(zhuǎn)換器，可將 -48V 轉(zhuǎn)換為 +12V，提供給一系列多相降壓穩(wěn)壓器，用于負(fù)載點(diǎn)。一些云計(jì)算公司和 HPC 公司最初為其 48V 系統(tǒng)復(fù)制了這一架構(gòu)，但在功率增加而 PoL 電壓降至 1V 以下時(shí)，設(shè)計(jì)人員開始尋找可替代的架構(gòu)和拓?fù)洹?/p>

電源系統(tǒng)架構(gòu)、開關(guān)拓?fù)浜头庋b對(duì)于高性能高密度設(shè)計(jì)而言非常重要。隨著 AI 及 CPU 處理器電流的增加，由于穩(wěn)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(yīng)用中最關(guān)鍵的元素。

業(yè)界一流的最新 AI 處理器具有大約 1kA 的穩(wěn)態(tài)電流，峰值電流達(dá) 1.5kA 至 2kA?？紤]到處理器常規(guī)多相降壓穩(wěn)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(wěn)態(tài) (P = I²R) 200-400W，對(duì)于任何系統(tǒng)來說，都太高了，根本無法處理。

PDN 損耗成了 DC-DC 穩(wěn)壓器設(shè)計(jì)效率及性能的主導(dǎo)因素。這是一個(gè)負(fù)載點(diǎn)問題，而且提高電壓根本不現(xiàn)實(shí)（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(wěn)壓器盡量靠近處理器布置。在多相降壓穩(wěn)壓器的案例中，通常會(huì)占用 16-24 個(gè)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(gòu)

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

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(gòu)及其性能都可通過 PRM 及 VTM 中使用的專有拓?fù)湓鰪?qiáng)。PRM 使用零電壓開關(guān)拓?fù)洌?VTM 則使用專有諧振高頻率正弦振幅轉(zhuǎn)換器 (SAC) 拓?fù)?。轉(zhuǎn)換為 PoL 電壓，可使用零電壓和零電流開關(guān)。VTM 實(shí)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(shù)增加。VTM也叫電流倍增器，是一種高電流密度 PoL 轉(zhuǎn)換器。（新產(chǎn)品目前可達(dá)到 2A/mm²。）它可緊挨著處理器布置，因?yàn)樗捎脛?chuàng)新 ChiP 封裝技術(shù)并支持高密度集成磁組件。

這種水平的高電流密度可為設(shè)計(jì)人員提供極大的靈活性。工程師可根據(jù)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(nèi)，可在同一個(gè)基板上，也可以直接在主板上，從而可將 PDN 電阻降至大約 50μΩ。

縱向供電 (VPD) 可進(jìn)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(duì)旁路電容的集成。

為了進(jìn)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(dòng)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(shí)現(xiàn)其真正的性能。

對(duì)于如此復(fù)雜的電源問題，一個(gè)整體的設(shè)計(jì)方法才能確保獲得成功的高性能結(jié)果。需要對(duì)架構(gòu)、拓?fù)湟约胺庋b進(jìn)行創(chuàng)新，才能解決最艱巨的電源挑戰(zhàn)。提高 PDN 的電壓，可解決大量系統(tǒng)性能挑戰(zhàn)。降低 PDN 電阻是開啟新一代 HPC 電源大門、兌現(xiàn) AI 承諾的關(guān)鍵。