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不再依赖独家供应商:新电源联盟为48V直接DC-DC转换创立新标准

时间:2018-06-21 作者:Flex电源模块(Flex Power Modules)高级 阅读:
针对数据中心等要求苛刻的高级应用开发电源系统解决方案,就已颇具挑战了,况且还要考虑不太过依赖于单独的供应商。电源模块行业内具有前瞻性的公司已经认识到,DC-DC电源模块的用户——尤其是那些需要48V直接转换的用户——正在从独立的备选来源当中寻找兼容产品。

为了满足这一需求,业界最近成立了电源模块联盟(Power Stamp Alliance,PSA),旨在实现为客户提供在兼容解决方案之间进行选择,同时使电源制造商能够得以竞争并为全球客户提供最佳技术解决方案的双向目标。

在本文中,PSA的创始成员之一——Flex公司,将会探讨包括给出兼容性定义的规范在内的新联盟对于客户的好处,以及48V直接转换在数据中心等效率敏感型应用中的优势。

现代供应链管理及许多公司的政策都要求,对于设计中的关键(如果不是全部)元器件,至少要提供一个备选来源。这可以保护OEM厂商不受缺货问题所困扰,并使供应商之间能够有一定程度的竞争力,从而确保成本得到控制。

然而,电源模块行业一直以各供应商开发它们自己的封装和机械外形而闻名。这意味着,虽然更换供应商是可能的,但这通常涉及重新设计PCB和重新认证新设备等问题。这不仅会引入成本,而且可能过程漫长,同时也涉及风险因素。

为了解决这个问题并提供一定程度的标准化,电源模块行业已出现了许多联盟。虽然其中许多都涵盖了通用产品,但若联盟能专注在有限但却重要的技术领域,则对客户的影响往往更为有利。

最新的联盟之一是PSA(www.powerstamp.org)——该联盟非常专注于面向处理器、存储器和ASIC的高级大电流模块——尽管该技术也可用于其他应用。

PSA的主要目标是为将48V标称电压转换为大电流低电压输出提供多来源的标准电源模块解决方案。为了容纳尽可能多的器件并提供未来适用性,PSA架构在功耗/电流方面具有完全可扩展性。

PSA决定专注于仅为基于意法半导体(ST Microelectronics)的电源模块规定封装和功能,而电气性能则由每个PSA成员公司来决定。

尽管PSA目前的成员仅包括Flex、Artesyn Embedded Technologies、Bel Power Solutions和意法半导体这四个创始成员,但开发PSA兼容产品的其他公司也可加入,而让客户能有更多的选择。

PSA还规定,模块应采用现有工艺制造,从而能够以最小的风险进行大批量生产,进而确保产品有良好的可用性,以便维护供应链。

在系统层面,PSA基于100A容量的模块;系统可以配置多达六个模块(一个主模块和多达五个从模块),而为系统提供600A的容量。如果在工作过程中电流需求减少,那么内置控制器将会自动禁用从模块,从而确保在100A到600A的宽电流范围内达到最佳效率水平。

虽然PSA设备的机械外壳是固定的,但为了最大限度地方便用户,外壳已根据应用定义。设计人员可以将四个PSA模块配置在58mm×58mm处理器的一边,这意味着可以在处理器本地生成高达400A的电流,而无需较长的大电流走线。

PSA解决方案的二次侧完全采用数字控制,用户可通过PMBus AVS或标准的SVID对模块进行控制。这些标准完全在模块内部实现,而使电源解决方案可针对任何特定应用进行优化。

例如,在有两个VR13-HC处理器和两个DDR内存条的应用中,每个处理器需要高达400A的电流,每个内存条需要200A电流。

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图1:具有两个CPU和两对内存条的典型PSA应用(来源:PSA)

图字:48V总线;高达200A;来自12V的辅助电源

此类系统的电力需求可以通过使用多个电源模块来实现。主电源模块既可充当多达五个从模块的控制级,又可自身提供高达100A的电力。这些从模块每个都能提供高达100A的电力,并且仅由主模块控制,从模块不需要采用直接的用户接口。由于负载动态变化,主模块可以自动禁用(并重新启用)任何不需要的从模块,从而确保始终实现最佳效率。

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图2:在较大系统中,主模块可以控制从模块(来源:PSA)

图字:输入电源;控制;100A主模块;隔离器;100A从模块;隔离;输出电源;从100A到600A可扩展

主模块和从模块的尺寸和封装均由PSA定义,两种模块的封装相同。主模块有一个单独的控制PCB,在其顶部嵌入了一个从模块并具有LGA焊盘端子,而从模块使用模块引脚。引脚布局一直是业界广泛思考和讨论的主题,因此PSA将类似的信号组合在一起并将其放置在边缘附近,以使工程师能够轻松地进行模块间连接。接地连接配置在模块中心附近。

设计人员可通过任何PSA成员访问参考设计板,以便对基于PSA模块的电源解决方案进行快速的原型设计和开发。PSA成员正在开发或已经能够提供输出电压为0.9V、1.0V和1.8V的PSA合规模块。

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图3:PSA成员公司现可提供用于快速评估和开发的参考板(来源:PSA)

直接转换的好处

PSA最显著的特点之一是,它能够实现从标称48V配电轨到负载所需电压的直接转换。直到最近,电信和数据通信电源使用两级转换,使用中间总线转换器(IBC)将半稳压48V配电轨转换为12V。

在这种中间总线架构(IBA)中,IBC提供第一级转换以及系统隔离。然后,非隔离负载点(niPOL)提供第二级转换——它将12V中间轨转换为负载所需的电压,即处理器、存储器和ASIC通常所需的低电压。

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图4:两级转换使用带独立niPOL的IBC(来源:Flex)

图字:交流线路;隔离、转换、稳压;半稳压配电总线;总线转换器;隔离、降压;稳压半隔离中间总线;niPOL转换器;降压、稳压;稳定负载电压

虽然这种方法具有包括单点隔离(可降低总系统成本)在内的许多好处,但主要缺点是与单级转换相比效率相对较低。

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图5:直接转换通常比两级转换效率更高(来源:Flex)

图字:12V总线;48V总线;传统的两级48V至Vcore转换;IBC(48V-12V);96%效率;POL(12V-1V);90%效率;总效率为86.4%;直接48V至Vcore转换;直接至Vcore转换器;>91%或更高的效率

虽然IBC和niPOL单独使用时效率较高(典型值分别为96%和90%),但这种方法会使从48V到负载的总体转换效率降至86.4%。相比之下,PSA模块等单级隔离转换器可在目标负载下实现>91%的效率。

如果我们去考虑在1VDC下需要600A的典型处理器/内存应用,那么效率为86.4%的两级转换会产生大约94.4W的热量,而单级转换可将这一数值降低35W至59.4W。

这种方法的一个额外的好处是,由于是用单级转换对48V进行分配,其母线中的电流将会是分配12V的两级转换系统中的电流的25%。因此,母线中的损耗(I2R)将降低到两级系统的1/16。

虽然这些数字看起来很小,但它们与单个处理器和内存的组合有关。即使在一般大小的数据中心中也会有数千个处理器,因此每个处理器带来的少量节省累加起来也会变得非常巨大。这不仅会使运行成本得到降低,而且会使功耗下降约50%。这意味着可以在与之前相同的空间内提供多得多的电力,或者电源可以做到更小。

总结

对于构建基于处理器的系统的公司来说,高效电源转换和选择可互操作的电源解决方案供应商是其两个重要议程。PSA通过定义单级转换电源模块的外形尺寸和核心功能,已经实现了上述两个目标,同时使供应商得以继续竞争,而将最高效的高级技术解决方案推向市场。

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