1.6 kW Titanium PSU：高效服務器電源解決方案

在服務器電源設計領域，追求高功率密度、高效率以及穩(wěn)定可靠的性能是永恒的目標。今天，我們來深入探討一款符合80 PLUS Titanium標準的1600 W服務器電源解決方案——EVAL_1K6W_PSU_CFD7_QD，看看它是如何在眾多電源方案中脫穎而出的。

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背景與系統(tǒng)概述

近年來，開關模式電源（SMPS）的發(fā)展趨勢是在優(yōu)化成本的同時提高功率密度。而實現(xiàn)更高功率密度的關鍵在于提高效率，以減少散熱問題。英飛凌此前的800 W服務器電源已展現(xiàn)出了出色的效率水平，超越了80 PLUS Platinum標準。但如果要在相同外形尺寸下實現(xiàn)更高功率，就需要進一步提高效率，以確保設計在熱性能方面的可行性。

EVAL_1K6W_PSU_CFD7_QD這款1600 W服務器電源采用了連續(xù)導通模式（CCM）無橋功率因數(shù)校正器（PFC）和半橋LLC DC - DC諧振轉(zhuǎn)換器的組合。它使用了CoolMOS? MOSFET和CoolSiC?肖特基二極管，采用頂部冷卻的SMD封裝（Q - DPAK和D - DPAK），不僅實現(xiàn)了高效的系統(tǒng)設計，還達到了44 W/in3的功率密度。

系統(tǒng)組成

該電源設計由兩個主要階段組成：

• AC - DC階段（PFC）：采用帶雙向開關的無橋PFC，在高電壓（最小176 Vrms，標稱230 Vrms）下以65 kHz的開關頻率在CCM模式下運行。PFC功能由英飛凌XMC1402微控制器實現(xiàn)，旨在實現(xiàn)對直流 - 直流轉(zhuǎn)換器合適的母線電壓控制，同時從電網(wǎng)獲取高質(zhì)量電流。
• DC - DC階段（LLC）：采用帶有中心抽頭變壓器和同步整流（SR）的LLC諧振拓撲。諧振槽的諧振頻率為160 kHz，工作開關頻率范圍為52 kHz至300 kHz。目標輸出電壓為12.2 V，標稱輸出電流為132 A。LLC控制由英飛凌XMC4200微控制器實現(xiàn)，包括電壓調(diào)節(jié)、突發(fā)模式操作、輸出過流保護（OCP）和過壓保護（OVP）等功能。

主要器件

• 功率半導體：PFC階段使用了CoolMOS? 600 V CFD7和CoolSiC? 650 V G6肖特基二極管；LLC階段使用了CoolMOS? 600 V G7和OptiMOS? 6 40 V MOSFET。
• 驅(qū)動芯片：EiceDRIVER? 1EDI20N12AF隔離式和2EDN7524F非隔離式柵極驅(qū)動器。
• 控制器：ICE2QR2280G QR反激控制器用于偏置輔助電源，XMC1402和XMC4200微控制器分別用于PFC和LLC的控制。

電路板設計

電路板規(guī)格

EVAL_1K6W_PSU_CFD7_QD服務器電源的電路板規(guī)格如下：

• 長度：19.3 cm
• 寬度：7 cm
• 高度：4.4 cm
• 功率密度：44 W/in3

元件布局

電路板的元件布局經(jīng)過精心設計，以實現(xiàn)高效的功率轉(zhuǎn)換和散熱。從左到右依次為：

• 輸入部分：保險絲、NTC浪涌電流限制器和輸入繼電器，后面緊接著是兩級EMI濾波器。
• AC - DC階段：位于電路板中間，包括AC - DC轉(zhuǎn)換器和母線電容器。
• DC - DC階段：在右側(cè)，包括DC - DC轉(zhuǎn)換器、O - ring開關和輸出連接器。
• 偏置轉(zhuǎn)換器：為驅(qū)動和控制電路提供所需的電源。
• 控制板：沿著電源的一側(cè)放置，用于實現(xiàn)對整個電源的控制。

輸出連接器

輸出連接器采用了主機板設計，包括電源連接器、輸出電壓感測點和遠程開關。此外，主機板還允許將輸出電壓端子連接到風扇電源，但需要直接訪問連接器引腳才能實現(xiàn)外部風扇供電。

功率板設計

功率板采用了頂部冷卻的D - DPAK和Q - DPAK封裝，允許不同的系統(tǒng)設計思路，并將SMD封裝應用于高功率SMPS應用中。使用CoolMOS? G7和CFD7晶體管以及CoolSiC? G6二極管可以降低損耗，同時優(yōu)化的熱阻和低外形的頂部冷卻SMD封裝使得PFC和半橋開關可以共享同一個散熱器。功率板垂直放置在電源的中央部分，前面是風扇，通過壓力夾固定散熱器，散熱器上還包括一個NTC用于監(jiān)測溫度，以實現(xiàn)保護和風扇速度調(diào)節(jié)。

規(guī)格與測試結(jié)果

效率測試

在230 Vrms、50 Hz/60 Hz的輸入條件下，從10%到100%負載范圍內(nèi)，該電源達到了80 PLUS Titanium效率標準，在800 W（50%負載）時效率達到96%。這一結(jié)果得益于CoolMOS? 600 V CFD7和G7以及CoolSiC? 650 V G6肖特基二極管的出色性能。

電流總諧波失真（THD）和功率因數(shù)（PF）

在230 Vrms、50 Hz/60 Hz的輸入條件下，從20%負載開始，電流THD小于10%，功率因數(shù)大于0.95。這表明該電源在不同負載條件下都能保持良好的輸入電流質(zhì)量。

輸出電壓和紋波

目標輸出電壓為12.2 V，在230 Vrms、50 Hz/60 Hz的輸入條件下，從10%到100%負載范圍內(nèi)，穩(wěn)態(tài)輸出電壓紋波小于120 mVpk - pk。

浪涌電流

在連接到交流電源時，浪涌電流通過NTC進行限制。在第一個交流周期測量的浪涌電流遠低于規(guī)定的30 A，確保了電源在啟動時的安全性。

電源線干擾

• 線路周期掉電（LCDO）：在230 Vrms的輸入條件下，測試了不同負載下的LCDO能力。結(jié)果表明，無論電壓掉電的起始角度如何，輸出電壓都在規(guī)定的動態(tài)變化范圍內(nèi)。如果掉電時間超過規(guī)定值，輸出電壓調(diào)節(jié)可能會丟失，甚至在母線電壓降至310 V時，電源可能會關閉并重新啟動。
• 電壓驟降：考慮了兩種不同的電壓驟降條件，測試結(jié)果顯示輸出電壓不受輸入電壓變化的影響。但如果電壓驟降持續(xù)時間超過規(guī)定值，電源會關閉并在空閑一段時間后軟啟動。

輸出電壓動態(tài)行為

• 負載瞬態(tài)響應：在輕載（1 A）到半載（66 A）和半載到滿載（132 A）的負載變化下，以0.5 A/μs的步長進行測試，輸出電壓動態(tài)紋波在穩(wěn)態(tài)電壓12.2 V的±240 mV范圍內(nèi)。
• 輸入電壓變化：輸入電壓的變化會影響母線電壓，最終影響輸出電壓紋波。但在正常工作范圍內(nèi)，電源能夠保持穩(wěn)定的輸出。
• 突發(fā)模式：在輕載或空載條件下，DC - DC階段進入突發(fā)模式運行，以提高效率。

保護功能

• 過流保護（OCP）：設置了不同的OCP級別和允許的最大時間。當負載電流超過設定值時，DC - DC轉(zhuǎn)換器會被鎖定，母線電壓必須降至310 V以下才能重啟電源。此外，還實現(xiàn)了快速短路保護，能夠在幾個開關周期內(nèi)檢測到嚴重過載。
• 過壓保護（OVP）：當DC - DC階段出現(xiàn)控制問題時，OVP設置為14 V，以保護負載設備。

傳導電磁干擾（EMI）

該電源采用了EMI濾波器，在純電阻負載下，以標稱輸出功率和230 V的輸入電壓在50 Hz下運行時，傳導EMI符合CISPR 22 Class B限制。

熱測量

在室溫下，對電源的主要器件進行了長時間的熱測試，包括PFC開關、PFC二極管、PFC扼流圈、LLC半橋的低端CoolMOS?、LLC變壓器等。測試結(jié)果表明，在標稱輸入電壓和最小輸入電壓（176 Vrms）下，電源的主要器件溫度都在可接受的范圍內(nèi)，為電源的長期穩(wěn)定運行提供了保障。

總結(jié)

EVAL_1K6W_PSU_CFD7_QD這款1600 W服務器電源解決方案是一款高性能、高效率的電源設計。它不僅實現(xiàn)了80 PLUS Titanium效率標準，還達到了44 W/in3的高功率密度。通過采用頂部冷卻的SMD封裝和先進的半導體技術(shù)，該電源在散熱性能和系統(tǒng)集成方面具有顯著優(yōu)勢。同時，它還具備完善的保護功能和良好的動態(tài)性能，能夠滿足數(shù)據(jù)中心服務器的嚴格要求。

對于電子工程師來說，這款電源設計提供了一個優(yōu)秀的參考案例，無論是在功率轉(zhuǎn)換拓撲的選擇、器件的選型還是電路板的布局設計方面，都有很多值得借鑒的地方。你在設計類似的電源方案時，是否也會考慮采用這些先進的技術(shù)和設計理念呢？歡迎在評論區(qū)分享你的看法。