使用48V配电两级解决方案提高数据中心的功率密度和效率
文/欧阳谦，罗汉·萨姆斯，周静海
电流数据中心通常有一个12V的背板和板上配电，需要将电压转换到1V左右，这通常是通过单相或多相同步降压调节器实现的。这些数据中心的机架通常最大额定功率为20kW。业界需要将每个机架的功率密度提高到约100kW，以减小这些数据中心的大小。这可以通过使用48V背板和配电来实现，但这种方法存在一些挑战。要将48V电压降至电路板，传统的同步降压稳压器不能依赖。那么，如何在不增加成本的情况下增加数据中心的密度呢?本文概述了一个两级解决方案，以一种灵活、可扩展且具有成本效益的方式将48V驱动到负载点(POL，大约1-5V)，这将有利于下一代服务器电源传输。
建议
随着对数据中心需求的增加，也需要增加数据中心的大小和密度，以满足所有用户的需求。一个关键的限制因素是每个机架服务器的功率限制，大约是20kW。这种限制是由次优配电网络引起的。大多数背板和背板的工作电压为12V，这需要大量的铜，并限制了每个机架的功率。开放计算项目(OCP)和谷歌提出了将工作电压提高到48V的想法，从而将每个机架的安装容量提高到每个机架50-100kW。这种架构尚未取得成功的关键原因之一是缺乏下游解决方案(即:48V下至板载POL，包括处理器、内存组和其他asic)。
已经提出了几种不同的方法来解决48V输入到POL分布的问题。需要克服的主要挑战包括可伸缩性、成本、效率和规模。
可扩展性和成本
很难将48V分配到各种负载，包括用于轨道的小电流，如USB和VGA端口，它们通常在2-5V时消耗几百毫安，而在接近1V时消耗数百毫安的处理器。一些可行的解决方案包括通过精确调节中间母线并使用DC/DC变压器进行最终降压，将电压从48V直接驱动到负载电压(1-5V)。
虽然这些解决方案对大电流轨道是有效的，但对于大多数小电流轨道来说，它们都很难缩小规模，而且更昂贵，甚至对于大电流轨道来说也可能更昂贵。其他解决方案，如使用氮化镓(GaN)，已经被提出来解决这些问题，使用简单、同步、降压解决方案进行直接转换。虽然当成本和大规模生产变得可行时，它们确实有很大的前景，但目前这些解决方案似乎还很遥远。
效率和规模
该电路板的解决方案必须具有高效率和小尺寸，以适应当前的服务器电路板。48v - 1v转换效率必须至少达到93%或以上，因为目前最先进的12v - 1v转换效率为95%。由于行业标准机架和背板插接平面板尺寸限制，48v - 1v变换器的尺寸不能大于12v - 1v变换器。
解决方案
建议的48v到低压配电解决方案是一个两阶段的过程，与现有的数据中心相比，将提高效率、可扩展性和成本。
阶段1
VIN导轨(48V)分布在整个电路板上，随后降低到可变的中间电压，通常在5-8V之间。变量5-8V可以在集群中产生，用于CPU和内存功率，而其余的功率分配(总计约50W)可以由单独的转换器产生。中间浮轨确保完全软开关，通过使用半桥谐振LLC转换器实现98%的峰值效率。输入电压在60V以下，不需要隔离。通过使用变压器代替电感作为LLC网络的一部分，可以更容易地实现功能隔离。这也有助于从48V降至5-8V。基本思想是将第一阶段解决方案模块化(参见图1)。
图1:第一级模块的前视图
第一阶段的模块可以根据所提供的功率进行扩展，但对于典型的单处理器服务器，这些模块中只有两个是必要的。第一阶段的另一个独特之处在于它可以是多源的。当GaN等技术变得更加普遍时，它们可以无缝地替换这些模块，而不会影响下游解决方案。可变的5-8V不调节电压也可以被5-8V之间的严格调节电压所取代，而不会对整个系统造成任何干扰，从而保持互操作性。
第二阶段
第二阶段完全取决于要传递的力量。在毫安负载的情况下，第二阶段可以像使用线性低压一样简单(LDO)监管机构．随着功率水平的增加，第二阶段可以利用单相，同步，降压调节器，这是丰富的。随着输入电压的降低，降低了对低占空比的需求，并且可以优化场效应晶体管(FET)和效率，降低了损耗。与典型的12V轨道相比，通过减少对高击穿电压fet的需求，降低了设备的成本，并提高了效率。对于处理器和内存的高电流解决方案，可以使用交错多相稳压器(见图2)。
随着输入电压的降低，这些多相转换器可以达到约97%的峰值效率。随着大多数变换器前馈控制的改进，浮动输入电压(5-8V，第一级输出)可以很容易地处理。这些转换器的尺寸通过使用高频转换而变得更小，高频转换使用更小的电感和更少的电容。
图2:第二阶段
摘要/结论
该解决方案的整体效率约为95%，超过了48v - 1v转换93%的目标，与12v - 1v最先进的转换效率相匹配。由于模块可以垂直安装，所以单板的尺寸不会增加。第二阶段尺寸减小的后续收益解释了第一阶段尺寸的增加。使用任何第二级转换器的灵活性和相应的调整第一级转换器的大小增加了可伸缩性。通过这种解决方案，数据中心可以在不增加成本和尺寸的情况下实现每机架100kW的密度。
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