【導讀】針對數(shù)據(jù)中心等要求苛刻的高級應(yīng)用開發(fā)電源系統(tǒng)解決方案，就已頗具挑戰(zhàn)了，況且還要考慮不太過依賴于單獨的供應(yīng)商。電源模塊行業(yè)內(nèi)具有前瞻性的公司已經(jīng)認識到，DC-DC電源模塊的用戶——尤其是那些需要48V直接轉(zhuǎn)換的用戶——正在從獨立的備選來源當中尋找兼容產(chǎn)品。
為了滿足這一需求，業(yè)界最近成立了電源模塊聯(lián)盟（Power Stamp Alliance，PSA），旨在實現(xiàn)為客戶提供在兼容解決方案之間進行選擇，同時使電源制造商能夠得以競爭并為全球客戶提供最佳技術(shù)解決方案的雙向目標。
在本文中，PSA的創(chuàng)始成員之一——Flex公司，將會探討包括給出兼容性定義的規(guī)范在內(nèi)的新聯(lián)盟對于客戶的好處，以及48V直接轉(zhuǎn)換在數(shù)據(jù)中心等效率敏感型應(yīng)用中的優(yōu)勢。
現(xiàn)代供應(yīng)鏈管理及許多公司的政策都要求，對于設(shè)計中的關(guān)鍵（如果不是全部）元器件，至少要提供一個備選來源。這可以保護OEM廠商不受缺貨問題所困擾，并使供應(yīng)商之間能夠有一定程度的競爭力，從而確保成本得到控制。
然而，電源模塊行業(yè)一直以各供應(yīng)商開發(fā)它們自己的封裝和機械外形而聞名。這意味著，雖然更換供應(yīng)商是可能的，但這通常涉及重新設(shè)計PCB和重新認證新設(shè)備等問題。這不僅會引入成本，而且可能過程漫長，同時也涉及風險因素。
為了解決這個問題并提供一定程度的標準化，電源模塊行業(yè)已出現(xiàn)了許多聯(lián)盟。雖然其中許多都涵蓋了通用產(chǎn)品，但若聯(lián)盟能專注在有限但卻重要的技術(shù)領(lǐng)域，則對客戶的影響往往更為有利。
最新的聯(lián)盟之一是PSA（www.powerstamp.org）——該聯(lián)盟非常專注于面向處理器、存儲器和ASIC的高級大電流模塊——盡管該技術(shù)也可用于其他應(yīng)用。
PSA的主要目標是為將48V標稱電壓轉(zhuǎn)換為大電流低電壓輸出提供多來源的標準電源模塊解決方案。為了容納盡可能多的器件并提供未來適用性，PSA架構(gòu)在功耗/電流方面具有完全可擴展性。
PSA決定專注于僅為基于意法半導體（ST Microelectronics）的電源模塊規(guī)定封裝和功能，而電氣性能則由每個PSA成員公司來決定。
盡管PSA目前的成員僅包括Flex、Artesyn Embedded Technologies、Bel Power Solutions和意法半導體這四個創(chuàng)始成員，但開發(fā)PSA兼容產(chǎn)品的其他公司也可加入，而讓客戶能有更多的選擇。
PSA還規(guī)定，模塊應(yīng)采用現(xiàn)有工藝制造，從而能夠以最小的風險進行大批量生產(chǎn)，進而確保產(chǎn)品有良好的可用性，以便維護供應(yīng)鏈。
在系統(tǒng)層面，PSA基于100A容量的模塊；系統(tǒng)可以配置多達六個模塊（一個主模塊和多達五個從模塊），而為系統(tǒng)提供600A的容量。如果在工作過程中電流需求減少，那么內(nèi)置控制器將會自動禁用從模塊，從而確保在100A到600A的寬電流范圍內(nèi)達到最佳效率水平。
雖然PSA設(shè)備的機械外殼是固定的，但為了最大限度地方便用戶，外殼已根據(jù)應(yīng)用定義。設(shè)計人員可以將四個PSA模塊配置在58mm×58mm處理器的一邊，這意味著可以在處理器本地生成高達400A的電流，而無需較長的大電流走線。
PSA解決方案的二次側(cè)完全采用數(shù)字控制，用戶可通過PMBus AVS或標準的SVID對模塊進行控制。這些標準完全在模塊內(nèi)部實現(xiàn)，而使電源解決方案可針對任何特定應(yīng)用進行優(yōu)化。
例如，在有兩個VR13-HC處理器和兩個DDR內(nèi)存條的應(yīng)用中，每個處理器需要高達400A的電流，每個內(nèi)存條需要200A電流。
圖1：具有兩個CPU和兩對內(nèi)存條的典型PSA應(yīng)用（來源：PSA）
圖字：48V總線；高達200A；來自12V的輔助電源
此類系統(tǒng)的電力需求可以通過使用多個電源模塊來實現(xiàn)。主電源模塊既可充當多達五個從模塊的控制級，又可自身提供高達100A的電力。這些從模塊每個都能提供高達100A的電力，并且僅由主模塊控制，從模塊不需要采用直接的用戶接口。由于負載動態(tài)變化，主模塊可以自動禁用（并重新啟用）任何不需要的從模塊，從而確保始終實現(xiàn)最佳效率。
圖2：在較大系統(tǒng)中，主模塊可以控制從模塊（來源：PSA）
圖字：輸入電源；控制；100A主模塊；隔離器；100A從模塊；隔離；輸出電源；從100A到600A可擴展
主模塊和從模塊的尺寸和封裝均由PSA定義，兩種模塊的封裝相同。主模塊有一個單獨的控制PCB，在其頂部嵌入了一個從模塊并具有LGA焊盤端子，而從模塊使用模塊引腳。引腳布局一直是業(yè)界廣泛思考和討論的主題，因此PSA將類似的信號組合在一起并將其放置在邊緣附近，以使工程師能夠輕松地進行模塊間連接。接地連接配置在模塊中心附近。
設(shè)計人員可通過任何PSA成員訪問參考設(shè)計板，以便對基于PSA模塊的電源解決方案進行快速的原型設(shè)計和開發(fā)。PSA成員正在開發(fā)或已經(jīng)能夠提供輸出電壓為0.9V、1.0V和1.8V的PSA合規(guī)模塊。
圖3：PSA成員公司現(xiàn)可提供用于快速評估和開發(fā)的參考板（來源：PSA）
直接轉(zhuǎn)換的好處
PSA最顯著的特點之一是，它能夠?qū)崿F(xiàn)從標稱48V配電軌到負載所需電壓的直接轉(zhuǎn)換。直到最近，電信和數(shù)據(jù)通信電源使用兩級轉(zhuǎn)換，使用中間總線轉(zhuǎn)換器（IBC）將半穩(wěn)壓48V配電軌轉(zhuǎn)換為12V。
在這種中間總線架構(gòu)（IBA）中，IBC提供第一級轉(zhuǎn)換以及系統(tǒng)隔離。然后，非隔離負載點（niPOL）提供第二級轉(zhuǎn)換——它將12V中間軌轉(zhuǎn)換為負載所需的電壓，即處理器、存儲器和ASIC通常所需的低電壓。
圖4：兩級轉(zhuǎn)換使用帶獨立niPOL的IBC（來源：Flex）
圖字：交流線路；隔離、轉(zhuǎn)換、穩(wěn)壓；半穩(wěn)壓配電總線；總線轉(zhuǎn)換器；隔離、降壓；穩(wěn)壓半隔離中間總線；niPOL轉(zhuǎn)換器；降壓、穩(wěn)壓；穩(wěn)定負載電壓
雖然這種方法具有包括單點隔離（可降低總系統(tǒng)成本）在內(nèi)的許多好處，但主要缺點是與單級轉(zhuǎn)換相比效率相對較低。
圖5：直接轉(zhuǎn)換通常比兩級轉(zhuǎn)換效率更高（來源：Flex）
圖字：12V總線；48V總線；傳統(tǒng)的兩級48V至Vcore轉(zhuǎn)換；IBC（48V-12V）；96%效率；POL（12V-1V）；90%效率；總效率為86.4%；直接48V至Vcore轉(zhuǎn)換；直接至Vcore轉(zhuǎn)換器；＞91%或更高的效率
雖然IBC和niPOL單獨使用時效率較高（典型值分別為96%和90%），但這種方法會使從48V到負載的總體轉(zhuǎn)換效率降至86.4%。相比之下，PSA模塊等單級隔離轉(zhuǎn)換器可在目標負載下實現(xiàn)＞91%的效率。
如果我們?nèi)タ紤]在1VDC下需要600A的典型處理器/內(nèi)存應(yīng)用，那么效率為86.4%的兩級轉(zhuǎn)換會產(chǎn)生大約94.4W的熱量，而單級轉(zhuǎn)換可將這一數(shù)值降低35W至59.4W。
這種方法的一個額外的好處是，由于是用單級轉(zhuǎn)換對48V進行分配，其母線中的電流將會是分配12V的兩級轉(zhuǎn)換系統(tǒng)中的電流的25%。因此，母線中的損耗（I2R）將降低到兩級系統(tǒng)的1/16。
雖然這些數(shù)字看起來很小，但它們與單個處理器和內(nèi)存的組合有關(guān)。即使在一般大小的數(shù)據(jù)中心中也會有數(shù)千個處理器，因此每個處理器帶來的少量節(jié)省累加起來也會變得非常巨大。這不僅會使運行成本得到降低，而且會使功耗下降約50%。這意味著可以在與之前相同的空間內(nèi)提供多得多的電力，或者電源可以做到更小。
總結(jié)
對于構(gòu)建基于處理器的系統(tǒng)的公司來說，高效電源轉(zhuǎn)換和選擇可互操作的電源解決方案供應(yīng)商是其兩個重要議程。PSA通過定義單級轉(zhuǎn)換電源模塊的外形尺寸和核心功能，已經(jīng)實現(xiàn)了上述兩個目標，同時使供應(yīng)商得以繼續(xù)競爭，而將最高效的高級技術(shù)解決方案推向市場。
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