針對(duì)數(shù)據(jù)中心等要求苛刻的高級(jí)應(yīng)用開(kāi)發(fā)電源系統(tǒng)解決方案，要想不太過(guò)依賴于獨(dú)家供應(yīng)商，具有相當(dāng)大的挑戰(zhàn)性。電源模塊行業(yè)內(nèi)具有前瞻性的公司已經(jīng)認(rèn)識(shí)到，DC-DC電源模塊的用戶——尤其是那些需要48V直接轉(zhuǎn)換的用戶——正在從獨(dú)立的備選來(lái)源當(dāng)中尋找兼容產(chǎn)品。

為了滿足這一需求，業(yè)界最近成立了電源模塊聯(lián)盟(Power Stamp Alliance，PSA)(www.powerstamp.org)，旨在實(shí)現(xiàn)為客戶提供在兼容解決方案之間進(jìn)行選擇，同時(shí)使電源制造商能夠得以競(jìng)爭(zhēng)并為全球客戶提供最佳技術(shù)解決方案的雙向目標(biāo)。

在本文中，PSA的創(chuàng)始成員之一——Flex公司，將會(huì)探討包括給出兼容性定義的規(guī)范在內(nèi)的新聯(lián)盟對(duì)于客戶的好處，以及48V直接轉(zhuǎn)換在數(shù)據(jù)中心等效率敏感型應(yīng)用中的優(yōu)勢(shì)。

現(xiàn)代供應(yīng)鏈管理及許多公司的政策都要求，對(duì)于設(shè)計(jì)中的關(guān)鍵(如果不是全部)元器件，至少要提供一個(gè)備選來(lái)源。這可以保護(hù)OEM廠商不受缺貨問(wèn)題所困擾，并使供應(yīng)商之間能夠有一定程度的競(jìng)爭(zhēng)力，從而確保成本得到控制。

然而，電源模塊行業(yè)一直以各供應(yīng)商開(kāi)發(fā)它們自己的封裝和機(jī)械外形而聞名。這意味著，雖然更換供應(yīng)商是可能的，但這通常涉及重新設(shè)計(jì)PCB和重新認(rèn)證新設(shè)備等問(wèn)題。這不僅會(huì)引入成本，而且可能過(guò)程漫長(zhǎng)，同時(shí)也涉及風(fēng)險(xiǎn)因素。

為了解決這個(gè)問(wèn)題并提供一定程度的標(biāo)準(zhǔn)化，電源模塊行業(yè)已出現(xiàn)了許多聯(lián)盟。雖然其中許多都涵蓋了通用產(chǎn)品，但若聯(lián)盟能專注在有限但卻重要的技術(shù)領(lǐng)域，則對(duì)客戶的影響往往更為有利。

最新的聯(lián)盟之一是PSA——該聯(lián)盟非常專注于面向處理器、存儲(chǔ)器和ASIC的高級(jí)大電流模塊——盡管該技術(shù)也可用于其他應(yīng)用。

PSA的主要目標(biāo)是為將48V標(biāo)稱電壓轉(zhuǎn)換為大電流低電壓輸出提供多來(lái)源的標(biāo)準(zhǔn)電源模塊解決方案。為了容納盡可能多的器件并提供未來(lái)適用性，PSA架構(gòu)在功耗/電流方面具有完全可擴(kuò)展性。

PSA決定專注于僅為基于意法半導(dǎo)體(ST Microelectronics)的電源模塊規(guī)定封裝和功能，而電氣性能則由每個(gè)PSA成員公司來(lái)決定。

盡管PSA目前的成員僅包括Flex、Artesyn Embedded Technologies、Bel Power Solutions和意法半導(dǎo)體這四個(gè)創(chuàng)始成員，但開(kāi)發(fā)PSA兼容產(chǎn)品的其他公司也可加入，而讓客戶能有更多的選擇。

PSA還規(guī)定，模塊應(yīng)采用現(xiàn)有工藝制造，從而能夠以最小的風(fēng)險(xiǎn)進(jìn)行大批量生產(chǎn)，進(jìn)而確保產(chǎn)品有良好的可用性，以便維護(hù)供應(yīng)鏈。

在系統(tǒng)層面，PSA基于100A容量的模塊;系統(tǒng)可以配置多達(dá)六個(gè)模塊(一個(gè)主模塊和多達(dá)五個(gè)從模塊)，而為系統(tǒng)提供600A的容量。如果在工作過(guò)程中電流需求減少，那么內(nèi)置控制器將會(huì)自動(dòng)禁用從模塊，從而確保在100A到600A的寬電流范圍內(nèi)達(dá)到最佳效率水平。

雖然PSA設(shè)備的機(jī)械外殼是固定的，但為了最大限度地方便用戶，外殼已根據(jù)應(yīng)用定義。設(shè)計(jì)人員可以將四個(gè)PSA模塊配置在58mm×58mm處理器的一邊，這意味著可以在處理器本地生成高達(dá)400A的電流，而無(wú)需較長(zhǎng)的大電流走線。

PSA解決方案的二次側(cè)完全采用數(shù)字控制，用戶可通過(guò)PMBus AVS或標(biāo)準(zhǔn)的SVID對(duì)模塊進(jìn)行控制。這些標(biāo)準(zhǔn)完全在模塊內(nèi)部實(shí)現(xiàn)，而使電源解決方案可針對(duì)任何特定應(yīng)用進(jìn)行優(yōu)化。

例如，在有兩個(gè)VR13-HC處理器和兩個(gè)DDR內(nèi)存條的應(yīng)用中，每個(gè)處理器需要高達(dá)400A的電流，每個(gè)內(nèi)存條需要200A電流。

圖1：具有兩個(gè)CPU和兩對(duì)內(nèi)存條的典型PSA應(yīng)用(來(lái)源：PSA)

圖字：48V總線;高達(dá)200A;來(lái)自12V的輔助電源

此類系統(tǒng)的電力需求可以通過(guò)使用多個(gè)電源模塊來(lái)實(shí)現(xiàn)。主電源模塊既可充當(dāng)多達(dá)五個(gè)從模塊的控制級(jí)，又可自身提供高達(dá)100A的電力。這些從模塊每個(gè)都能提供高達(dá)100A的電力，并且僅由主模塊控制，從模塊不需要采用直接的用戶接口。由于負(fù)載動(dòng)態(tài)變化，主模塊可以自動(dòng)禁用(并重新啟用)任何不需要的從模塊，從而確保始終實(shí)現(xiàn)最佳效率。

圖2：在較大系統(tǒng)中，主模塊可以控制從模塊(來(lái)源：PSA)

圖字：輸入電源;控制;100A主模塊;隔離器;100A從模塊;隔離;輸出電源;從100A到600A可擴(kuò)展

主模塊和從模塊的尺寸和封裝均由PSA定義，兩種模塊的封裝相同。主模塊有一個(gè)單獨(dú)的控制PCB，在其頂部嵌入了一個(gè)從模塊并具有LGA焊盤(pán)端子，而從模塊使用模塊引腳。引腳布局一直是業(yè)界廣泛思考和討論的主題，因此PSA將類似的信號(hào)組合在一起并將其放置在邊緣附近，以使工程師能夠輕松地進(jìn)行模塊間連接。接地連接配置在模塊中心附近。

設(shè)計(jì)人員可通過(guò)任何PSA成員訪問(wèn)參考設(shè)計(jì)板，以便對(duì)基于PSA模塊的電源解決方案進(jìn)行快速的原型設(shè)計(jì)和開(kāi)發(fā)。PSA成員正在開(kāi)發(fā)或已經(jīng)能夠提供輸出電壓為0.9V、1.0V和1.8V的PSA合規(guī)模塊。

圖3：PSA成員公司現(xiàn)可提供用于快速評(píng)估和開(kāi)發(fā)的參考板(來(lái)源：PSA)

直接轉(zhuǎn)換的好處

PSA最顯著的特點(diǎn)之一是，它能夠?qū)崿F(xiàn)從標(biāo)稱48V配電軌到負(fù)載所需電壓的直接轉(zhuǎn)換。直到最近，電信和數(shù)據(jù)通信電源使用兩級(jí)轉(zhuǎn)換，使用中間總線轉(zhuǎn)換器(IBC)將半穩(wěn)壓48V配電軌轉(zhuǎn)換為12V。

在這種中間總線架構(gòu)(IBA)中，IBC提供第一級(jí)轉(zhuǎn)換以及系統(tǒng)隔離。然后，非隔離負(fù)載點(diǎn)(niPOL)提供第二級(jí)轉(zhuǎn)換——它將12V中間軌轉(zhuǎn)換為負(fù)載所需的電壓，即處理器、存儲(chǔ)器和ASIC通常所需的低電壓。

圖4：兩級(jí)轉(zhuǎn)換使用帶獨(dú)立niPOL的IBC(來(lái)源：Flex)

圖字：交流線路;隔離、轉(zhuǎn)換、穩(wěn)壓;半穩(wěn)壓配電總線;總線轉(zhuǎn)換器;隔離、降壓;穩(wěn)壓半隔離中間總線;niPOL轉(zhuǎn)換器;降壓、穩(wěn)壓;穩(wěn)定負(fù)載電壓

雖然這種方法具有包括單點(diǎn)隔離(可降低總系統(tǒng)成本)在內(nèi)的許多好處，但主要缺點(diǎn)是與單級(jí)轉(zhuǎn)換相比效率相對(duì)較低。

圖5：直接轉(zhuǎn)換通常比兩級(jí)轉(zhuǎn)換效率更高(來(lái)源：Flex)

圖字：12V總線;48V總線;傳統(tǒng)的兩級(jí)48V至Vcore轉(zhuǎn)換;IBC(48V-12V);96%效率;POL(12V-1V);90%效率;總效率為86.4%;直接48V至Vcore轉(zhuǎn)換;直接至Vcore轉(zhuǎn)換器;>91%或更高的效率

雖然IBC和niPOL單獨(dú)使用時(shí)效率較高(典型值分別為96%和90%)，但這種方法會(huì)使從48V到負(fù)載的總體轉(zhuǎn)換效率降至86.4%。相比之下，PSA模塊等單級(jí)隔離轉(zhuǎn)換器可在目標(biāo)負(fù)載下實(shí)現(xiàn)>91%的效率。

如果我們?nèi)タ紤]在1VDC下需要600A的典型處理器/內(nèi)存應(yīng)用，那么效率為86.4%的兩級(jí)轉(zhuǎn)換會(huì)產(chǎn)生大約94.4W的熱量，而單級(jí)轉(zhuǎn)換可將這一數(shù)值降低35W至59.4W。

這種方法的一個(gè)額外的好處是，由于是用單級(jí)轉(zhuǎn)換對(duì)48V進(jìn)行分配，其母線中的電流將會(huì)是分配12V的兩級(jí)轉(zhuǎn)換系統(tǒng)中的電流的25%。因此，母線中的損耗(I2R)將降低到兩級(jí)系統(tǒng)的1/16。

雖然這些數(shù)字看起來(lái)很小，但它們與單個(gè)處理器和內(nèi)存的組合有關(guān)。即使在一般大小的數(shù)據(jù)中心中也會(huì)有數(shù)千個(gè)處理器，因此每個(gè)處理器帶來(lái)的少量節(jié)省累加起來(lái)也會(huì)變得非常巨大。這不僅會(huì)使運(yùn)行成本得到降低，而且會(huì)使功耗下降約50%。這意味著可以在與之前相同的空間內(nèi)提供多得多的電力，或者電源可以做到更小。

總結(jié)

對(duì)于構(gòu)建基于處理器的系統(tǒng)的公司來(lái)說(shuō)，高效電源轉(zhuǎn)換和選擇可互操作的電源解決方案供應(yīng)商是其兩個(gè)重要議程。PSA通過(guò)定義單級(jí)轉(zhuǎn)換電源模塊的外形尺寸和核心功能，已經(jīng)實(shí)現(xiàn)了上述兩個(gè)目標(biāo)，同時(shí)使供應(yīng)商得以繼續(xù)競(jìng)爭(zhēng)，而將最高效的高級(jí)技術(shù)解決方案推向市場(chǎng)。