每一款電子設(shè)備或系統(tǒng)都有一個(gè)由線纜、母線排、連接器、電路板銅箔電源層以及 AC 至 DC 和 DC 至 DC 轉(zhuǎn)換器及穩(wěn)壓器組成的供電網(wǎng)絡(luò) （PDN）?？刂?PDN 性能的是其整體架構(gòu)，例如對AC或DC電壓配電的使用、特定電壓電和電流等級，以及網(wǎng)絡(luò)需要進(jìn)行電壓轉(zhuǎn)換和穩(wěn)壓的時(shí)間與次數(shù)。

經(jīng)過多年的發(fā)展，PDN已在很多特定行業(yè)中實(shí)現(xiàn)了標(biāo)準(zhǔn)化，例如國防與航空航天工業(yè)中的 270V 和 28V，通信基礎(chǔ)設(shè)施應(yīng)用中的48V以及汽車中使用的12V PDN，這些后來都成了計(jì)算機(jī)服務(wù)器和工業(yè)應(yīng)用中的標(biāo)準(zhǔn)。因此，圍繞著標(biāo)準(zhǔn) PDN 建立起了數(shù)十億美元的產(chǎn)業(yè)。

隨著各行業(yè)向48V、400V 和 800V 等最新 PDN 過渡，非傳統(tǒng)供電架構(gòu)和技術(shù)有很多機(jī)會可顯著提高性能。

企業(yè)及高性能計(jì)算的先進(jìn)系統(tǒng)、通信與網(wǎng)絡(luò)基礎(chǔ)設(shè)施、自動駕駛汽車以及大量交通運(yùn)輸應(yīng)用只是高增長行業(yè)中需要更大功率的少數(shù)幾個(gè)。隨著負(fù)載數(shù)量和負(fù)載功率不斷增加，當(dāng) PDN 基于12V 時(shí)，這些系統(tǒng)對實(shí)現(xiàn)高性能提出了復(fù)雜的設(shè)計(jì)挑戰(zhàn)。采用更高的電壓具有挑戰(zhàn)性，而且由于有 12V 長期成功的歷史經(jīng)驗(yàn)和應(yīng)用，以及建立了幾十年的龐大供應(yīng)鏈生態(tài)系統(tǒng)，因此拒絕改變的理由很充分。

48V 的出現(xiàn)

電信行業(yè)使用48V PDN已有幾十年了。48V是最好的選項(xiàng)，因?yàn)椋?/p>

1. 它是安全超低電壓 （SELV），SELV 意味著它具有較低的電擊風(fēng)險(xiǎn)；

2. 可以用細(xì)的線纜進(jìn)行遠(yuǎn)距離電流傳輸，線壓降較??；

3. “常開”要求促使該行業(yè)使用12V鉛酸蓄電池進(jìn)行串聯(lián)提供 48V電壓。

隨著互聯(lián)網(wǎng)、筆記本電腦和移動電話的出現(xiàn)，通信網(wǎng)絡(luò)基礎(chǔ)架構(gòu)已變得越來越復(fù)雜，因此 48V PDN 基礎(chǔ)架構(gòu)必須為許多由網(wǎng)絡(luò)處理器陣列、存儲器和控制系統(tǒng)負(fù)載組成的復(fù)雜新型負(fù)載供電。這就帶來了一項(xiàng)挑戰(zhàn)，因?yàn)榇罅康默F(xiàn)有技術(shù)都集中在12V，半導(dǎo)體轉(zhuǎn)換器及穩(wěn)壓器組件都是針對 12V 工作電壓進(jìn)行的優(yōu)化。

為解決這個(gè) 48V 至 12V 問題，一種名為中間母線的架構(gòu)（IBA）被部署起來，并迅速成為通信及網(wǎng)絡(luò)基礎(chǔ)架構(gòu)應(yīng)用中的事實(shí)標(biāo)準(zhǔn)。中間母線轉(zhuǎn)換器 （IBC） 是隔離式非穩(wěn)壓固定比率 （1/4） 轉(zhuǎn)換器，由幾家公司聯(lián)合開發(fā)，采用符合 DOSA 和 POLA 引腳輸出標(biāo)準(zhǔn)的開放式框架封裝，可實(shí)現(xiàn)多源輸出。

IBA屬于安全低電壓，因此安規(guī)上并不要求隔離。為了避免電極腐蝕，將電池的正極接地，從而產(chǎn)生了-48V電壓。而通過隔離型IBC， 可以將-48V總線電壓轉(zhuǎn)換為+12V，為下游的負(fù)載供電。將隔離式固定比率母線轉(zhuǎn)換器用作 DC-DC 變壓器，隨后使用 a-ve 48V 輸入為下游負(fù)載點(diǎn) （PoL） 穩(wěn)壓器提供 +12V 輸出。

數(shù)據(jù)中心的人工智能 （AI） 等高級應(yīng)用正在推動數(shù)據(jù)中心從 12V 轉(zhuǎn)向 48V PDN 并從 IBA 轉(zhuǎn)向新的架構(gòu)。處理器及相關(guān)服務(wù)器機(jī)架功率級的顯著提升已輕松超過了 12V 和 IBA 所能達(dá)到的水平。

對于汽車市場而言，滿足要求降低汽車 CO2 排放的立法和新標(biāo)準(zhǔn)的需求，是探索汽車電氣化的催化劑。這催生了48V電池，以支持全新輕度混合動力系統(tǒng)、安全及娛樂系統(tǒng)設(shè)計(jì)。

更高電壓的全新 PDN

隨著更高系統(tǒng)功率需求的出現(xiàn)，基于 380V 和 48V 的 PDN 現(xiàn)已變得更加復(fù)雜，因?yàn)樵S多行業(yè)仍試圖在負(fù)載點(diǎn)保留原有的 12V PDN 基礎(chǔ)架構(gòu)。其它 PDN 挑戰(zhàn)來自新的大功率電源電源，如純電動 （EV） 汽車及高性能汽車中的 800V 電池等。

在這些新系統(tǒng)及新應(yīng)用中，供電可分為三個(gè)基本部分：

1. 大功率電源轉(zhuǎn)換為 48V；

2. 中間母線在48V下供電，然后進(jìn)行轉(zhuǎn)換，有時(shí)候會穩(wěn)壓至 12V；

3. 負(fù)載點(diǎn)電源從12V或者48V電壓進(jìn)行轉(zhuǎn)換，為負(fù)載供電。

大功率電源

大功率電源轉(zhuǎn)換為中間 48V PDN 的創(chuàng)新機(jī)會主要看以下幾個(gè)方面：

1. 實(shí)現(xiàn)更高功率密度；

2. 使用模塊化方法實(shí)現(xiàn)冗余及可擴(kuò)展性；

3. 通過散熱良好的平面封裝實(shí)現(xiàn)高級散熱技術(shù)；

4. 采用高效率的固定比率轉(zhuǎn)換器，由下游組件實(shí)現(xiàn)穩(wěn)壓功能。

隨著功率級的不斷提高，大功率電源系統(tǒng)設(shè)計(jì)的挑戰(zhàn)現(xiàn)已變得越來越復(fù)雜。管理大功率電源轉(zhuǎn)換器的尺寸和重量，并針對高功耗進(jìn)行散熱，是大多數(shù)應(yīng)用關(guān)注的主要方面。如果尺寸和重量不是問題，就可實(shí)現(xiàn)非常高的效率并可通過風(fēng)扇散熱實(shí)現(xiàn)熱管理。

然而，大多數(shù)應(yīng)用都在要求提高功率密度。電源系統(tǒng)工程師應(yīng)該考慮使用電源模塊設(shè)計(jì)和構(gòu)建這些大功率轉(zhuǎn)換器的優(yōu)勢，而不是從頭構(gòu)建分立式設(shè)計(jì)。電源模塊與創(chuàng)新架構(gòu)、拓?fù)?、控制系統(tǒng)及封裝相結(jié)合，可提供改善大功率 PDN 性能的新方法。

如果大功率源為 AC 或高壓 DC，則需要隔離。在任何轉(zhuǎn)換器中，隔離級都會增加功耗，但如果中間母線 PDN 包含 PoL 級（即 48V 至 12V）的穩(wěn)壓，則可能不需要穩(wěn)壓。這種方法有兩個(gè)考慮因素：

1. 電源的輸入范圍（固定比率轉(zhuǎn)換器會根據(jù)其匝數(shù)比或 K 因數(shù)將該輸入電壓反映至輸出，就像變壓器一樣）和下游轉(zhuǎn)換器／穩(wěn)壓器的輸入電壓范圍。

2. 對于三相 AC 電源，系統(tǒng)是否需要功率因數(shù)校正 （PFC）。

數(shù)據(jù)中心和百億億次計(jì)算通常需要在有限的空間內(nèi)獲得最大的處理能力，因此它們從高密度組件及先進(jìn)的散熱技術(shù)中獲得了極大的優(yōu)勢。在某些情況下，完全浸入式散熱是將整個(gè)服務(wù)器部署在一個(gè)氟惰性溶液槽中。另外，其它高性能計(jì)算應(yīng)用也在開發(fā)利用熱導(dǎo)管和冷卻板散熱技術(shù)。在這些應(yīng)用中，大功率電源系統(tǒng)的電源轉(zhuǎn)換及穩(wěn)壓級都需要纖薄的平面封裝。

中間母線及負(fù)載點(diǎn)供電的創(chuàng)新

要為48V中間母線 PDN 實(shí)現(xiàn)創(chuàng)新，主要看以下幾個(gè)方面：

1. 利用非隔離固定比率母線轉(zhuǎn)換器實(shí)現(xiàn) 48V 至 12V 的轉(zhuǎn)換；

2. 部署高功率密度的穩(wěn)壓電源模塊轉(zhuǎn)換器；

3. 整合比 IBA 性能高的架構(gòu)：分比式電源架構(gòu) （FPA）。

從12V 中間母線 PDN 過渡到 48V PDN，既有挑戰(zhàn)，也有優(yōu)勢。最大限度提升盡可能接近 PoL 穩(wěn)壓器的 48V 供電，將減少線纜、連接器和 PCB 銅箔電源層、尺寸、重量以及成本。PoL 空間限制一般都存在問題，因此轉(zhuǎn)換器必須具備高功率密度和高效率。只要 PoL 穩(wěn)壓器可以處理其輸入端電壓變化（等于母線轉(zhuǎn)換器的電壓輸入范圍除以匝數(shù)比或 K 因數(shù) （VIN / K = VOUT）），非隔離式固定比率母線轉(zhuǎn)換器就是最好的選項(xiàng)。如果大功率電源轉(zhuǎn)換器設(shè)計(jì)有合理的穩(wěn)壓公差，那么這種設(shè)計(jì)方法不僅可行，而且很有優(yōu)勢。

有些設(shè)計(jì)中大功率電源轉(zhuǎn)換器或大容量電源（如 48V 電池）具有寬輸出電壓范圍，則可能需要根據(jù) PoL 穩(wěn)壓器輸入電壓規(guī)格使用穩(wěn)壓 DC -DC 轉(zhuǎn)換器。在 48V 至 12V 階段增加穩(wěn)壓，可能會將轉(zhuǎn)換器效率降低 2% 到 4%，具體要看拓?fù)洹?/p>

為了真正推動 PDN 設(shè)計(jì)發(fā)展，顯著提高 PoL 的性能和高電流密度，我們需要考慮一種全新的架構(gòu)，那就是Vicor分比式電源架構(gòu) （FPA）。在FPA中， 有一種名為電流倍增器的新型轉(zhuǎn)換器，其不僅可高效率、高密度地直接將 48V 轉(zhuǎn)換為負(fù)載電壓，而且還可部署在離負(fù)載很近的位置。這在大電流應(yīng)用中很有優(yōu)勢，因?yàn)樗山档娃D(zhuǎn)換器至負(fù)載之間的 PDN 阻抗，該阻抗不僅造成了高的導(dǎo)通損耗，也會影響負(fù)載的di/dt瞬態(tài)性能。

電流倍增器是固定比率轉(zhuǎn)換器，因此需要一個(gè)上游穩(wěn)壓級來完成 FPA 設(shè)計(jì)。為了在最小化功耗的同時(shí)，最大限度提高效率和密度，穩(wěn)壓器模塊的工作輸入和輸出電壓均設(shè)置為 48V，所選的電流倍增器 K 因數(shù)可為負(fù)載提供所需的輸出電壓。

隨著許多行業(yè)功率等級的提升，采用更高電壓的PDN可減少挑戰(zhàn)，但也會增加復(fù)雜性。電源系統(tǒng)工程師應(yīng)該評估來自新供應(yīng)商的新拓?fù)浜图軜?gòu)，以實(shí)現(xiàn)顯著的系統(tǒng)性能優(yōu)勢。發(fā)展、進(jìn)步及創(chuàng)新總是需要新思維、新理念和新方法。當(dāng)您的業(yè)務(wù)需求變革時(shí)，要接受一切可能。探索和研究備選方案，在很多方面都是值得的。
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