【導讀】隨著對人工智能(AI)、機器學習(ML)及云應用的依賴日益加深，市場對緊湊、高效且可靠的電源轉換解決方案產生了前所未有的需求。本文將介紹一款面向傳統數據中心48V中間總線轉換的1/4磚DC?DC轉換器參考設計，其性能優于現有市售方案。這款參考設計在標準封裝尺寸內采用了ADI分立器件方案，可提供極具競爭力且可擴展的解決方案，以滿足高性能應用（包括超大規模計算與工業系統）不斷增長的需求。
引言
1/4磚模塊(QBM)參考設計是一款基于ADI公司1/4磚(QB)系統架構的高性能DC?DC轉換器。它采用全新系列耦合電感，滿足嚴格的分布式電源開放標準聯盟(DOSA)尺寸要求，并在標準封裝尺寸(CFP)內實現2kW連續功率輸出。借助該設計方案，QBM解決方案降低了傳統硬開關轉換器的累積損耗，提升了工作效率，為高要求應用提供了高可靠性方案。
通過利用ADI最新的48V/54V轉12V中間總線轉換(IBC)技術，該參考設計簡化了系統復雜度，助力客戶縮短研發周期。本文提供的完整測試數據表明，該設計方案在轉換效率、熱性能與可擴展性方面均實現了明顯的提升，適合作為面向傳統高功耗數據中心環境的新一代電源模塊。此外，該架構可滿足當前IBC應用需求，并為未來采用400V～800V總線電壓的高壓系統提供兼容路徑。
QBM設計
如圖1所示，QBM參考設計采用業界通用的DOSA標準機械引腳排列，確保無縫集成到現有系統主板中。以單模塊方式工作時，引腳排列可簡化為僅包含PMBus?信號。詳細引腳配置如表1所示。
表1：ADI 1/4磚模塊參考設計引腳配置
圖1：QBM參考引腳配置
該參考設計采用平頂底板，可有效為電源轉換器FET進行散熱，如圖2所示。該底板經過優化設計，可實現出色的熱管理，搭配現成的1/4磚散熱器使用時，能夠支持更長時間的功率輸出。
圖2：配備平頂底板與現成擴展散熱器的QBM
用戶可通過ADI專有且易用的LTpowerPlay?軟件，配合DC1613適配器，對QBM參考設計進行參數配置。該工具支持用戶設置典型工作參數，定義故障觸發閾值及對應響應動作，并記錄工作周期，以實現全面的監測與控制。圖3展示了QBM在LTpowerPlay中的用戶界面。
圖3：用于調整各項參數的LTpowerPlay配置GUI
電氣性能
本節重點介紹關鍵電氣性能指標，彰顯ADI QBM參考設計相較于市面上現有QBM的性能優勢。其中最關鍵的參數為效率及相關功率損耗。為實現精準評估，效率測量在端子前端進行，確保僅評估DC?DC轉換器本身性能。該方法可幫助工程師設計定制化端子，進一步優化整體系統。圖4展示了輸入電壓48V至60V工作條件下的效率曲線。
圖4：輸入電壓48VIN至60VIN時的QBM效率曲線
這款QBM經過精心設計，可實現出色的效率，滿載時效率超過97%，峰值效率可達98%。這種性能可顯著降低功率損耗、優化熱管理，最大程度地減少數據中心運行過程中的散熱需求。此外，該設計針對50V工作電壓優化，非常適合作為未來高壓(HV)數據中心架構的理想下游轉換器，包括采用16:1轉換比的800V系統。
熱性能
熱性能是高功率密度解決方案的關鍵指標。從技術上看，該轉換器可支持較大功率輸出，但最終會受到限定體積內熱設計功耗的約束。該QBM參考設計證明，即使在空間受限的環境中，它仍可輸出額定功率，且不會觸發過熱關斷。
圖5：環境溫度25°C、輸入48VIN時的熱成像圖
圖6：環境溫度25°C、輸入54VIN時的熱成像圖
圖5和圖6分別是48V和54V工作條件下的熱成像圖。結果顯示，在未加裝擴展散熱器的平頂底板表面，溫度分布均勻，熱點與其他區域溫差極小。這表明關鍵器件布局合理，銅層設計高效，從而最大限度降低熱量集中，確保系統在無熱限制的情況下可靠工作。
故障響應
該QBM參考設計集成了LTC2971作為電源管理控制器，符合PMBus 1級規范。該控制器可監控電壓、電流和溫度等關鍵參數，并執行相應的故障響應。用戶可配置模塊，使其在特定故障條件下鎖存或重試，從而兼具靈活性與完善的系統保護能力。
圖7：QBM達到OTP水平后關斷5秒
圖8：LTpowerPlay曲線顯示QBM達到OTP水平后立即關斷
圖7展示了過溫保護(OTP)測試。QBM配置為在75°C時關斷，觸發后恢復時間為5秒。圖8中的LTpowerPlay曲線同樣表明，QBM溫度達到75℃時便會關斷。
這可通過LTpowerPlay圖形用戶界面(GUI)進行配置。實際應用中，QBM可配置為耐受最高90℃，之后才會觸發OTP動作。
并聯運行
QBM參考設計的另一項關鍵特性是支持并聯運行，以滿足更高功率需求。該方案支持最多9個模塊并聯，限制僅來自圖9所示的LTC2971尋址方案。
圖9：QBM中采用的LTC2971尋址方案
在這次評估中，氣流方向為從圖中右側流向左側。測試裝置還在未安裝底板的條件下進行評估，以分析模塊內部各功率級的熱點分布，如圖10所示。
圖10：兩個QBM模塊并聯運行的測試裝置
模塊之間的電流失配度是衡量并聯運行性能的主要指標。圖11顯示了兩個模塊在總功率4kW工況下的讀數。電流失配度越低，均流效果越好。這一點也十分重要，可以確保各模塊在相同的熱條件下運行，最大限度地發揮兩個模塊的功率輸出處理能力。圖12展示了該測試裝置下的電流失配性能。
圖11：兩個QBM模塊在4kW工況下運行，電流差為4A
圖12：不同負載條件下兩個模塊的電流差曲線
圖13所示的熱成像圖展示了兩個QBM模塊在無底板條件下以4kW功率運行的狀態。整體熱性能分布趨勢一致，各對應區域之間的溫度差為個位數。
基于上述關鍵性能指標，ADI QBM參考設計為需要在CFP封裝內實現高功率IBC應用、追求頂級性能的客戶，提供了一套簡潔、穩健且極具競爭力的解決方案。
圖13：兩個QBM模塊并聯運行時的熱成像圖
結語
受到AI與機器學習快速發展的影響，傳統數據中心在滿足日益增長的高性能計算需求方面，面臨著愈發嚴峻的挑戰。當前，直流供電架構正逐步在系統層面采用更高功率密度的解決方案，通過使用48V和54V總線電壓，相比傳統12V系統可顯著降低功率損耗。在此轉型過程中，中間總線轉換器(IBC)是關鍵器件，尤其是1/4磚電源。這類緊湊高效的DC?DC轉換器在將高壓直流輸入轉換為處理器及外圍系統所需的低壓供電方面，發揮著至關重要的作用。
面對AI的迅猛發展，48V/54V架構能否持續滿足市場日益攀升的功率需求？敬請了解ADI為直面這一挑戰而開發的最新解決方案。
