【導(dǎo)讀】隨著48 V架構(gòu)的出現(xiàn)，1/4磚電源成為數(shù)據(jù)中心應(yīng)用中的一個關(guān)鍵組成部分。電源必須在效率和瞬態(tài)響應(yīng)方面表現(xiàn)出色，同時仍保持1/4磚的尺寸規(guī)格。在嚴格的尺寸限制下，基于混合轉(zhuǎn)換器的1/4磚電源能夠同時滿足高效率和瞬態(tài)響應(yīng)的要求，并提供高達2 kW的輸出功率。4相混合轉(zhuǎn)換器集成了一個雙2相耦合電感，在降壓部分使用2:1的降壓比，從而顯著降低了電流紋波，進一步提升了性能。參考設(shè)計在48 V輸入下的峰值效率為98.59%，在54 V輸入下的滿載效率為97.68%。
引言
隨著處理器核心的性能提升，加上數(shù)據(jù)中心越來越多地使用人工智能(AI)芯片，下一代計算機對電力的需求遠超以往，而且需要保持外形尺寸不變，以確保遷移工作的前期成本最小化。為此，亟需性能更好但尺寸不變的電源來為下一代芯片提供所需的電力。因此，使用標準化的1/4磚電源對系統(tǒng)設(shè)計十分有利。1/4磚電源具有開箱即用的特性，并且不同供應(yīng)商的產(chǎn)品能夠相互兼容，因此使用這種電源可以降低系統(tǒng)設(shè)計的復(fù)雜性。
然而，并非所有1/4磚電源的拓撲和性能都相同，因此工程師應(yīng)根據(jù)具體要求謹慎選擇。采用1/4磚電源進行設(shè)計時，工程師需要考慮的一些關(guān)鍵參數(shù)包括：工作輸入電壓、輸出電壓調(diào)節(jié)、峰值效率、滿載效率、瞬態(tài)性能、熱性能、可擴展性等。
本文將介紹采用4相混合轉(zhuǎn)換器LTC7822設(shè)計的分立式1/4磚電源及其性能，并探討如何以高效率滿足更高的輸出功率需求。
數(shù)據(jù)與結(jié)果
以下測試結(jié)果包括啟動時的測量數(shù)據(jù)、穩(wěn)態(tài)性能測量數(shù)據(jù)、工作性能波形和溫度測量數(shù)據(jù)。下列配置采用1/4磚參考設(shè)計及其系統(tǒng)板進行了測試。系統(tǒng)板配有熱插拔電路。
1/4磚電源的工作設(shè)置
輸入電壓：40 V至60 V
輸出電壓：12 V
輸出負載：0 A至166.67 A
開關(guān)頻率：150 kHz
性能數(shù)據(jù)
效率與功率損耗
1/4磚參考設(shè)計采用雙2相混合轉(zhuǎn)換器LTC7822，可以實現(xiàn)負載分配，降低每相電流，從而減少導(dǎo)通損耗，成為高功率、高降壓比應(yīng)用的理想選擇。LTC7822混合轉(zhuǎn)換器展現(xiàn)出優(yōu)異的效率，有效減少了功率損耗，進而降低了散熱需求。
在48 V和54 V輸入條件下，測試了這種1/4磚電源的效率，效率曲線如圖1所示。輸入電壓較低時，由于電壓降幅較低，因此峰值效率更高。然而，當輸出功率提高時，由于輸入電流增大，效率會逐漸下降。而在54 V下，峰值效率較低，但滿載效率更高。
圖1.ADI的1/4磚設(shè)計在48 V和54 V下的效率及功率損耗曲線
在1/4磚PCB面積上，轉(zhuǎn)換器在48 V、800 W時達到約98.59%的峰值效率，滿載效率為97.33%。對于54 V應(yīng)用，轉(zhuǎn)換器在1000 W時達到98.45%的峰值效率，滿載效率為97.68%。
采用的同步整流技術(shù)減少了二極管導(dǎo)通損耗，進一步優(yōu)化了效率?？刂破魍ㄟ^使用高質(zhì)量、低等效串聯(lián)電阻(ESR)的輸入和輸出電容器，再配合適當選擇的耦合電感，有效降低了關(guān)鍵元件的損耗。精心挑選的元件和周全的設(shè)計考量，使整體功率損耗得以降低，混合轉(zhuǎn)換器因此成為降壓型應(yīng)用的高效解決方案。
此外，混合轉(zhuǎn)換器的開關(guān)頻率可以靈活調(diào)整，設(shè)計人員可以根據(jù)具體應(yīng)用要求，在效率和開關(guān)損耗之間找到平衡點。再結(jié)合適當?shù)牟季衷O(shè)計、有效的熱管理和控制環(huán)路參數(shù)的優(yōu)化，就能打造出可靠高效的電源。總之，LTC7822憑借雙相架構(gòu)、同步整流和靈活性脫穎而出，在眾多降壓轉(zhuǎn)換器應(yīng)用中都能展現(xiàn)出優(yōu)異的效率和更低的功率損耗。
瞬態(tài)響應(yīng)：擴展供電功率
LTC7822混合轉(zhuǎn)換器非常適合用來滿足中間總線應(yīng)用的動態(tài)供電需求。創(chuàng)新的4相架構(gòu)能夠有效分配負載，降低負載意外變化的影響。從而提升了控制器的能力，能夠快速有效地適應(yīng)功率需求變化，確保在瞬態(tài)事件期間輸出電壓保持恒定。雙2相的交錯操作支持對突發(fā)負載波動做出快速響應(yīng)，在需要快速調(diào)整電源的情況下至關(guān)重要。
LTC7822能夠在有限的時間內(nèi)提供擴展功率，以支持突發(fā)負載需求，同時輸出電壓保持穩(wěn)定。我們對這個額定功率2 kW的設(shè)計進行了測試。圖2所示為以1.5倍擴展功率供電50 ms的情形，圖3所示為以1.8倍擴展功率供電500 μs的情形。
圖2.2 kW擴展到3 kW階躍負載，持續(xù)50 ms
圖3.2 kW擴展到3.6 kW階躍負載，持續(xù)500 μs
通過調(diào)整2型補償，可以進一步優(yōu)化混合轉(zhuǎn)換器的瞬態(tài)響應(yīng)，實現(xiàn)精密調(diào)節(jié)和輸出電壓偏差的最小化。
圖4.48 VIN、滿載(POUT = 2 kW)下的1/4磚電源熱性能
熱性能
這種參考設(shè)計的熱性能對于整體性能的發(fā)揮至關(guān)重要。適當?shù)臒峁芾砟軌虼_保器件可靠運行，防止過熱，從而避免性能降低和電子元件壽命縮短。圖4所示為在沒有使用散熱器和底板的情況下的熱特性。
為了增強混合轉(zhuǎn)換器的熱性能，可以采用高效的散熱器，確保熱量有效散發(fā)，同時保證器件周圍空氣流通順暢。數(shù)據(jù)手冊通常會提供有關(guān)如何適當設(shè)計散熱器的建議，包括熱阻和最大允許結(jié)溫等詳細信息。設(shè)計人員可以遵循這些指導(dǎo)原則，防止關(guān)鍵器件（控制器、FET）的溫度超過限值，確保系統(tǒng)可靠持續(xù)地運行。此外，混合轉(zhuǎn)換器可能具有過溫保護等特性，以保護器件免受過熱問題的影響。這種保護機制可以在溫度過高的情況下自動關(guān)閉控制器或降低輸出功率，防止器件和周圍元件受損。
啟動響應(yīng)
混合控制器具備可控的啟動響應(yīng)，保證運行的可靠性和穩(wěn)定性。它采用兩段式軟啟動：飛跨電容預(yù)充電階段和輸出軟啟動階段。這樣可以利用主電源的低輸入沖擊電流為飛跨電容充電，而輸出電壓也會在初始上電期間逐漸上升。這種設(shè)計避免了飛跨電容的沖擊電流和電壓過沖，增強了系統(tǒng)的可靠性，并保護下游元件免受損壞?？刂破鬟€具備故障監(jiān)測機制，能夠檢測啟動期間的異常情況，觸發(fā)適當?shù)捻憫?yīng)來避免潛在問題。圖5顯示了在開啟降壓部分之前如何對飛跨電容進行預(yù)充電。
圖5.混合轉(zhuǎn)換器在空載條件下啟動
在啟動過程中，混合轉(zhuǎn)換器謹慎地逐步提高輸出電壓，確保平穩(wěn)過渡到工作模式。對于電壓的驟變可能會對所連接元件造成影響的應(yīng)用而言，這種受控啟動方式至關(guān)重要?？刂破髂軌蛱幚砀鞣N情況下的啟動過程，支持廣泛的輸入電壓和負載場景。ADI公司的1/4磚參考設(shè)計還集成了熱插拔控制器LTC4287，以確保輸入電壓平穩(wěn)升降。
圖6.1/4磚電源在空載條件下啟動
輸出紋波
輸出紋波是指電源輸出電壓的波動或變化。為了實現(xiàn)低輸出紋波，控制器采用了交錯雙相架構(gòu)，并結(jié)合了耦合電感，開關(guān)相位之間略微錯相，從而有效降低了輸出電壓紋波，使得輸出電壓更干凈、更穩(wěn)定。參見圖7。
混合轉(zhuǎn)換器的輸出紋波性能受多種因素影響，包括輸入和輸出電容器的質(zhì)量、電感的選擇及整體的布局設(shè)計。通過采用高質(zhì)量、低ESR的電容器并選擇適當?shù)碾姼校O(shè)計人員可以進一步降低輸出紋波。數(shù)據(jù)手冊通常會提供有關(guān)如何選擇合適的電容器以優(yōu)化輸出紋波性能的指南和建議。在要求保證低輸出電壓紋波的應(yīng)用中，多相設(shè)計和特性有助于維持平穩(wěn)且精準調(diào)節(jié)的輸出，對于需要穩(wěn)定電壓以確保正常運行的敏感電子元件或系統(tǒng)尤其有利。
圖7.輸入電壓紋波和輸出電壓紋波
輸入和輸出電壓的紋波數(shù)據(jù)也依賴于測量設(shè)置，建議在最近的陶瓷電容器處使用短探頭來采集穩(wěn)態(tài)下的真實紋波性能。
結(jié)論
1/4磚電源是精簡的高性能電源解決方案，適合多種應(yīng)用。此類電源以緊湊的設(shè)計、高能效和出色的可靠性而聞名，擁有優(yōu)越的功率密度、精準的電壓調(diào)節(jié)能力和先進的保護特性，是眾多行業(yè)不可或缺的重要器件。
ADI公司最新的混合轉(zhuǎn)換器LTC7822在為數(shù)據(jù)中心供電方面具有顯著優(yōu)勢，不僅效率高、性能穩(wěn)健，而且具備先進的控制特性。它能夠優(yōu)化供電、增強可靠性并降低運行成本，因而成為數(shù)據(jù)中心實現(xiàn)高效、可靠電源管理的理想之選。
參考文獻
Christian Cruz，“48 V技術(shù)的魅力：系統(tǒng)級應(yīng)用中的重要性、優(yōu)勢與關(guān)鍵要素”，模擬對話，第58卷，2024年7月。
Bruce Haug，“72 V混合式DC-DC轉(zhuǎn)換器使中間總線轉(zhuǎn)換器的尺寸減小達50%”，《模擬對話》，第52卷，2018年2月。
Alexandr Ikiriannikov、Laszlo Lipcsei，“大幅提高48 V至12 V調(diào)節(jié)第一級的效率”，ADI公司，2023年10月。
“The Benefits of the Coupled Inductor Technology”，Maxim Integrated，2015年3月。
作者簡介
Karl Audison Cabas自2020年9月起擔任ADI公司的應(yīng)用工程師，專注于電源應(yīng)用方面的工作。他擁有菲律賓理工大學(xué)電子工程學(xué)士學(xué)位和瑪布亞大學(xué)電力電子碩士學(xué)位。他在DC-DC電源轉(zhuǎn)換器方面擁有4年多的經(jīng)驗。他之前的職責是處理客戶問詢以及與DC-DC轉(zhuǎn)換器相關(guān)的設(shè)計問題。他目前擔任云和數(shù)據(jù)中心應(yīng)用的電源系統(tǒng)應(yīng)用工程師。
Ralph Clarenz Matoci?os畢業(yè)于菲律賓馬尼拉Pamantasan ng Lungsod ng Maynila (PLM)，獲電子工程學(xué)士學(xué)位。他在電力電子領(lǐng)域擁有一年多的工程經(jīng)驗，包括電池管理系統(tǒng)開發(fā)和DC-DC電源轉(zhuǎn)換。他于2022年加入ADI，目前擔任云和數(shù)據(jù)中心應(yīng)用的電源系統(tǒng)應(yīng)用工程師。
Christian Cruz是ADI菲律賓公司的資深應(yīng)用開發(fā)工程師。他擁有菲律賓馬尼拉東方大學(xué)的電子工程學(xué)士學(xué)位。他在模擬和數(shù)字設(shè)計、固件設(shè)計和電力電子領(lǐng)域擁有超過12年的工程經(jīng)驗，包括電源管理IC開發(fā)以及AC-DC和DC-DC電源轉(zhuǎn)換。他于2020年加入ADI公司，目前負責支持基于云的計算和系統(tǒng)通信應(yīng)用的電源管理需求。
