大數(shù)據(jù)中心電源和能量使用的情況討論，第二部分

在我擔任電路設計工程師的 40 年中，我學到的關鍵知識之一是，并非所有電路架構(gòu)都是一樣的。一種架構(gòu)可能完全適合特定設計，而另一種不同的架構(gòu)可能更適合不同的場景。對以下解決方案保持開放的態(tài)度;您的特定項目將對電源管理有特定需求，因為沒有“千篇一律”的電源設計。尤其要注意您的客戶“關心”，然后利用您的電源設計專業(yè)知識來指導和建議最終客戶采用您認為最好的設計。在為任何項目選擇最佳電源解決方案時，溝通和討論必不可少。

也就是說，我非常非常喜歡以 GaN 作為功率元件的解決方案——根據(jù)我的設計師觀點和經(jīng)驗，這是我個人的首選。最終采用 GaN 的特定電源架構(gòu)多種多樣——請明智地選擇。

來自 EPC 的專家 Alex Lidow 研究了隔離與無隔離和監(jiān)管與無監(jiān)管架構(gòu)的案例。這個想法是，在作為直流變壓器 (DCX) 運行時，第一級可能不需要進行調(diào)節(jié)。在這些情況下，Lidow 的文章繼續(xù)研究了四種不同的中間總線解決方案：

1. 隔離穩(wěn)壓磚轉(zhuǎn)換器

2. 非隔離式 DC-DC 轉(zhuǎn)換器

3. 48 V 降壓 LLC 直流變壓器

4. 48V 至 1V 混合轉(zhuǎn)換器

經(jīng)確定，使用雙電感混合轉(zhuǎn)換器(DIHC) 或具有 6 V OUT的 LLC可實現(xiàn)最佳效率。然而，DIHC 拓撲相對較新，尚未被廣泛采用。48 V IN – 6 V OUT LLC 與 6 V IN – 1 V OUT 降壓轉(zhuǎn)換器相結(jié)合，由于其高效率、高功率密度和低成本，正在迅速被新的 AI 和游戲應用采用。

在所有具有 48 V IN的拓撲中，使用 GaN 器件實現(xiàn)了最高效率。這是由于它們的電容較低且尺寸較小。

高效電源轉(zhuǎn)換 (EPC)

對我來說，GaN 應該成為尺寸、效率和速度至關重要的數(shù)據(jù)中心電源架構(gòu)中的首選功率晶體管對我來說非常有意義。由 Alex Lidow 領導的 EPC“大師”提出了一個非常簡潔的設計架構(gòu)。

我特別喜歡 EPC 的芯片級封裝，它允許 為數(shù)據(jù)中心的 eGaN 器件提供六面冷卻10 。隨著 GPU 對功率的需求不斷增加，一些數(shù)據(jù)中心正在轉(zhuǎn)向潛水式液體冷卻。與任何其他功率元件相比，eGaN 可以更好地幫助延緩成本和工作量。

隔離還是不隔離，這就是問題5

隔離前端

在電源設計的前端，EPC 具有硬開關、48V 至 12V 降壓、變壓器隔離、穩(wěn)壓 500W、1/8 磚轉(zhuǎn)換器，具有 12V、42A 輸出;他們的EPC9115的效率為 96% 至 97%。高頻 GaN 開關縮小了磁性元件，因此與傳統(tǒng)硅解決方案相比，電路板占位面積更小。

非隔離前端

對于非隔離前端，有一個 25A 的 48V 至 5-12V 同步降壓轉(zhuǎn)換器。同樣，該設計使用具有高頻開關功能的 GaN 功率元件，以實現(xiàn)硅功率元件無法比擬的小尺寸電路板。該設計在 15A 負載下產(chǎn)生 97% 的峰值效率，在 25A 負載下產(chǎn)生 96.5% 的峰值效率。

48V 降壓至 12V LLC 直流變壓器前端

當該設計用作具有固定轉(zhuǎn)換比的直流變壓器 (DCX) 時，該設計能夠在較寬的工作范圍內(nèi)保持高效率。EPC 有一個 48V 至 12V 的演示板，功率為 900W，效率超過 98%。

48V 至 6V LLC 轉(zhuǎn)換器，帶 8:1 變比變壓器5

該設計可以在 1 MHz 下處理 900W。這種變壓器設計使用 14 層 PCB，具有 2.2 μH 的磁化電感，當然還有 GaN 功率元件。

現(xiàn)在，向負載架構(gòu)過渡到 4V 似乎有一個更大的趨勢。這取決于輸出晶體管和其他一些組件，但從 6V 輸出到 4V 輸出確實不會損失太多。變壓器在 900W 時會變得更大一些，因為它是一個矩陣變壓器(所有原始矩陣變壓器專利都已過期，并且該 IP 現(xiàn)在屬于公共領域)，因此它可以按該比率進行縮放。這種架構(gòu)的效率約為 98%。

專家表示 6、5、4 甚至 3.3V 架構(gòu)都是可行的。他關于從 48V 總線5為圖形處理器供電的文章 分析了幾種中間級架構(gòu)，直至 POL。

48V 到 1V 混合轉(zhuǎn)換器5,8,9

該設計使用基于 Dickson 開關電容轉(zhuǎn)換器9的雙電感混合轉(zhuǎn)換器 (DIHC) 8。DIHC 架構(gòu)在輸出端使用兩個交錯電感，不需要混合 Dickson 轉(zhuǎn)換器所需的兩個大型同步開關。

這種設計允許 DIHC 具有幾乎 2 倍的開關和飛跨電容器傳導的直流輸出阻抗貢獻，導致傳導損耗比混合 Dickson 轉(zhuǎn)換器小 2 倍。

2 MHz 區(qū)域附近的較高頻率變壓器帶寬提高了設計的響應時間。

結(jié)果的最終分析5

使用 DIHC 或具有 6 V OUT的 LLC 可實現(xiàn)最高效率。EPC 承認 DIHC 拓撲相對較新，尚未被廣泛采用。隨著我們在此類設計中推進 GaN 含量，我看到了這種架構(gòu)的好處。

48 V IN – 6 V OUT LLC 與 6 V IN – 1 V OUT 降壓轉(zhuǎn)換器相結(jié)合，是高效率的贏家，非常適合新的 AI 和游戲應用，以及高功率密度和低成本。

在所有具有 48 V IN的拓撲中，GaN 表現(xiàn)出最高的效率。這是由于它們的電容較低且尺寸較小。