实现下一代高密度电源转换

vicorpower.com1简介问题：效率低下的电源架构解决方案：分比式电源架构（FPA）(2).®目录页数111问题：效率低下的电源架构解决方案：分比式电源架构（FPA）示例系统基准系统性能（效率和尺寸）改善第一阶段：利用针对HV和MVDC-DC转换器的BCM改善第二阶段：用PRM+VTM实现从48V直接到处理器电压总结结论参考文献223691010白皮书实现下一代高密度电源转换在IBM电源和冷却技术研讨会上提交，2006年9月13日作者：VIChip市场营销副总裁StephenOliver和VIChip首席产品线工程师PaulYeaman简介在创建处理服务器系统的元数据（1），加上电信系统中增加端口密度和三网合一（语音/视频/互联网）流量处理的平行推送的驱动下，对电源管理架构提出了更高的要求。随着处理器电压达到亚伏水平，由于配电母线损耗加上拓扑结构性能的基本限制，传统的“后跟12V至1.xV同步降压的AC至2Vdc银盒”设计，在系统的功率密度和效率方面出现了下降。较高的电压（48V或350/380V）母线电压可降低配电损耗，但这通常意味着要增加额外的一级或多级来降低处理器电压，这增加了尺寸并可能降低转换器的效率。母线转换器模块（BCM）窄范围输入、非稳压、高效率母线转换器利用一个ZCS-ZVS正弦振幅转换器（SAC）提供隔离和电压转换。高电压（高达384V）和中等电压（48V）输入版本已经提供。预稳压模块（PRM）一个独特的ZVS高效率降压-升压转换器。电压转换模块（VTM�）采用ZCS-ZVSSAC的宽范围48V输入、高效率电压转换单元，组合了一个PRM来提供一个低电压输出（低至0.82V，根据需要）。FPA构建块支持更大灵活性、可扩展性和高效率的电源系统设计。需要一个新的架构来优化处理空间，同时最大限度地减少下一代系统中用于功率传输的面积。FPA采用三个灵活的构建块重新定义了每个转换器级的边界，同时实现了高密度和效率。F构建块（被称为“VIChip”）是：图1基本系统框图图2基准系统效率和从AC线汲取的功率本文为一块或多块8微处理器构成的中档/高端数据处理系统提出了一个效率和空间比较，每个块都运行在1.2V和100A，每个块的组合负载为960W。该系统通过一个AC至48Vdc前端从208Vac输入供电，如图1所示。今天（2006年）的典型AC至48Vdc至1.xV系统从AC到负载点（POL）的整体效率为67%，这意味着对于我们的960W负载，系统将从AC线汲取~1430W（图2）。470W的差额是浪费的热量——进一步增加了对散热/空调系统的要求，同时增加了数据中心的运行成本。在本文的分析中，所有元件和子系统都被认为是大批量生产的，现已有广泛的市场接受度和安装基础。假设其没有“异乎寻常”的元件或材料。vicorpower.com2示例系统AC-DCDC-DCPPPPPPPP208VAC48VDC1.2VDC100A800AµµµµµµµµDC-DCP208VAC48V1.2V800A960WMVDC-DC95%LVDC-DC85%12V1130W1190W1430WAC-DCPFC90%HVDC-DC92%380VDC1290W67%µ基准系统性能（效率和尺寸）（3）图3基准系统尺寸图4aHVBCM简单原理图假设拓扑结构是包括一个标准桥、滤波器和生成380V的升压PFC的AC至48Vdc单元，然后利用一个带二极管的双管正激转换器整流到48Vdc。假设48-1.2V转换器有四个48V：采用1/4砖格式的12V非稳压母线转换器，后跟一个到处理器的4相或5相VRM。就大小而言，对于前端AC至48Vdc，假设10W/英寸是基于商用单元得出的。在典型800W-1500W设计中，PFC级（包括AC桥和输入EMI滤波器）占据了整个转换器的40%。然后根据每个级的输出功率水平来估计PFC级和HV（380V-48V）DC-DC级的典型尺寸。MVDC-DC（1/4砖）和LVDC-DC（VRM包括“oscon”大容量电容器）尺寸都来自具体实例。基本BCM�拓扑结构可应用于HVDC-DC和MVDC-DC部分。B384F120T30是一个转换比率（K）为1/32的300W转换器，从PFC母线电压直接馈电，并生成一个12V输出。一个带并联输入和串行输出的四子（four-up）阵列在48V条件下可提供1,200W，效率为94%。图4a、b和c显示了布局和性能细节。请注意，图4a包括一个可选12V输出布局，可以用于驱动器或低功率辅助POL转换器，虽然这没有包括在效率和尺寸比较中。改善第一阶段：利用针对HV和MVDC-DC转换器的BCMvicorpower.com3DC-DCP208VAC48V1.2V800AMVDC-DC5.6in3LVDC-DC27.2in312VAC-DCPFC64in3HVDC-DC79in3380VDC176英寸3AC-DC208VAC48VPFC90%HVBCM380VDC84.6%HVBCMHVBCMHVBCM(12V)94%3（4）图3基准系统尺寸图4aHVBCM简单原理图假设拓扑结构是包括一个标准桥、滤波器和生成380V的升压PFC的AC至48Vdc单元，然后利用一个带二极管的双管正激转换器整流到48Vdc。假设48-1.2V转换器有四个48V：采用1/4砖格式的12V非稳压母线转换器，后跟一个到处理器的4相或5相VRM。就大小而言，对于前端AC至48Vdc，假设10W/英寸是基于商用单元得出的。在典型800W-1500W设计中，PFC级（包括AC桥和输入EMI滤波器）占据了整个转换器的40%。然后根据每个级的输出功率水平来估计PFC级和HV（380V-48V）DC-DC级的典型尺寸。MVDC-DC（1/4砖）和LVDC-DC（VRM包括“oscon”大容量电容器）尺寸都来自具体实例。基本BCM�拓扑结构可应用于HVDC-DC和MVDC-DC部分。B384F120T30是一个转换比率（K）为1/32的300W转换器，从PFC母线电压直接馈电，并生成一个12V输出。一个带并联输入和串行输出的四子（four-up）阵列在48V条件下可提供1,200W，效率为94%。图4a、b和c显示了布局和性能细节。请注意，图4a包括一个可选12V输出布局，可以用于驱动器或低功率辅助POL转换器，虽然这没有包括在效率和尺寸比较中。改善第一阶段：利用针对HV和MVDC-DC转换器的BCMvicorpower.com3DC-DCP208VAC48V1.2V800AMVDC-DC5.6in3LVDC-DC27.2in312VAC-DCPFC64in3HVDC-DC79in3380VDC176英寸3AC-DC208VAC48VPFC90%HVBCM380VDC84.6%HVBCMHVBCMHVBCM(12V)94%3（4）图4bHVBCM性能曲线/数据图4cHVBCM演示板（左）和串行输出阵列（右）改善系统功率粒度（如可能用384V:48V的1/8KBCM与并联输出连接）和效率（用改进的布局/互连）的进一步产品开发是可能实现的。对于MVDC-DC级，B048F120T30是一个非稳压、窄范围48V输入、12V输出母线转换器（K为1/4），效率为95%。进一步的BCM�性能数据，包括共模噪声性能已经提供（5）。在尺寸方面，BCM中的SAC在3.5MHz的有效频率运行，利用采用小型封装的高电源转换器的独特平面磁性元件（参见图5），实现了1,034W/英寸3的功率密度。无需散热器vicorpower.com4HVBCM48Vout(%)808284868890929496024681012141618202224Efficiency(%)(4)xB384F120T30,each12Vout,Tcase40°C,阵列效率输出电流（A）®图5VIChip尺寸。请注意，所有BCM、PRM和VTM单元均为相同尺寸图6a第一阶段效率图6b第一阶段尺寸在一个HVDC-DC单元中有必要的辅助元件（pcb、连接器、输出ORing、监测等），与传统拓扑结构相比，HVBCM使尺寸减少了60%，而这个级的效率增加了2%。MVDC-DC与基准实例具有类似的效率，但又减少了60%尺寸（包括散热）。第一阶段结果（用BCM取代HV和MVDC-DC级）如图6a和6b所示。请注意，由于假设AC至48Vdc尺寸为标称10W/英寸3功率密度，随着HVDC-DC效率的改善，PFC级也降低了功耗，并随之减小了尺寸。虽然现有PFC级尺寸的小整数减少可能不太现实，但在AC至48Vdc情况下，降低的功率（电流）要求加上48W的较小功率损耗将有助于功率元件（如升压FET、二极管）在更低温度下运行和/或减少散热，改善效率和/或可靠性等。vicorpower.com5•DC-DCP208VAC48V1.2V800A960WMVBCMs95%LVDC-DC85%12V1130W1190W1405WAC-DCPFC90%HVBCMs94%380VDC1265W68.3%DC-DCP208VAC48V1.2V800AMVBCM2.32in3LVDC-DC27.2in312VAC-DCPFC63in3HVBCM31in3380VDC124英寸3µ32.5x22.0x6.6mm1.28x0.87x0.26in改善第二阶段：用PRM+VTM实现从48V直接到处理器电压FPA提供了几个关键优势：高效率有助于节约上游电能（参见图7a、7b和7c）。PRM和VTM的物理分离优良的瞬态响应（参见图8）传统VRM依靠经测试和信任的同步降压PWM转换器。然而，随着处理器电压降至1V及以下，来自12V的占空比达到12:1（同步FET:控制FET）。由于极端的占空比，加上较高FET电压要求和后续的较高RDS（ON），在高功率、高效率系统中利用这个来自48V的PWM拓扑结构是颇具有挑战性的。FPA可以将PWM的稳压和电压转换级分成两个独立的块。PRM生成一个控制在48V典型水平的分比式母线，而VTM（在高达1MHz有非常低输出阻抗的电流倍增器）直接为处理器提供高效率电压转换。对于960W负载，使用了8个VTM（每100A处理器1个）。PRMVIChip具有更高的功率（每个高达320W），所以只需要四个（与输出并联连接）。vicorpower.com6®®••--••允许在VTM较远的距离放置PRM，与12V线路相比，在48V条件下的配电损耗（W/Ω）减少了94%。直接在处理器上实现最小占位面积的解决方案（在处理器上只需要VTM，最大限度地减少了大电流走线/损耗）。VTM内独特的高带宽双向转换能够去掉处理器位置的大容量电容，并在分比式母线上代之以一个小得多的（~1/1000）电容，因此大幅减少了大容量电容器（以尺寸计算，参见图7d）。由于VTM的高带宽和低Q特性，POL要求的陶瓷旁路电容器大大减小，因为POL电容只需要支持1微秒时间范围内的动态响应。图7aPRM效率图7bVTM效率请注意，在1.3Vout测得的效率可以减少到处理器电压（1.2V）的互连无需散热器无需散热器vicorpower.com7PRM效率效率效率8990919293949596979801234567输出电流输出电流A)((%)效率(%)(%)VTM(%)7075808590950102030405060708090100(A)V048F015T100,1.3Vout,Tcase40°C,P045F048T32AL,48Vout,Tcase40°C,noheatsink图7c第二阶段（MV和LVDC-DC由PRM+VTM取而代之）系统效率图7d第二阶段（PRM+VTM）系统尺寸图8PRM+VTM组合的瞬态响应的负载阶跃输出电容低于30mV的下冲vicorpower.com8DC-DCP208VAC48VUnreg1.2V800APRM5in3VTM4.6in348VRegAC-DCPFC58in3HVBCMs29in3380VDC96in3µ4