大數(shù)據(jù)中心電源和能量使用的情況討論，第三部分

意法半導(dǎo)體

意法半導(dǎo)體的數(shù)據(jù)中心電源架構(gòu)戰(zhàn)略和產(chǎn)品給我留下了深刻的印象。首先，他們是Power Stamp Alliance的一員。我喜歡這樣一個(gè)事實(shí)，即在開發(fā)云數(shù)據(jù)中心電源的公司中，設(shè)計(jì)人員和采購人員都可以選擇擁有來自多個(gè)電源供應(yīng)商的外形和功能的多源電源解決方案。數(shù)據(jù)中心人員也對此感到滿意。

我與 STMicroelectronics 的電源 IC 產(chǎn)品營銷經(jīng)理 Paolo Sandri 就他們的數(shù)據(jù)中心電源管理策略進(jìn)行了交談。最重要的是，ST 提供了基于其客戶需求的多種選擇。我喜歡這樣，因?yàn)橐环N尺寸并不適合所有人。

48V 至 12V 中間非穩(wěn)壓總線轉(zhuǎn)換器 (IBC)

該設(shè)計(jì)具有 40V 至 60V 的輸入能力，具有 4:1 的轉(zhuǎn)換比和高達(dá) 1kW 的熱設(shè)計(jì)功率 (TDP)。英特爾將 TDP 11定義 為“處理器的規(guī)范。OEM 必須設(shè)計(jì)滿足或超過處理器數(shù)據(jù)表規(guī)定的 TDP 的散熱解決方案?！?ST了解處理器需求!

該設(shè)計(jì)具有零交叉開關(guān) (ZCS)，適用于所有具有現(xiàn)成組件和小于 5mm 的薄型高度的 MOSFET。尺寸為 1/8磚 ，在 360W 時(shí)效率為 98%。

STBuck(堆疊降壓)，48V 至 12V 穩(wěn)壓 IBC

該轉(zhuǎn)換器架構(gòu)具有 36V 至 60V 輸入和 12V 輸出，可通過 PMBus 進(jìn)行調(diào)節(jié)(我喜歡數(shù)字電源控制!)。外形尺寸為 1/8 磚，最多可擴(kuò)展到四個(gè)單元。

效率曲線在 150W 輸出時(shí)達(dá)到 98.4% 的峰值。

48V 到 POL 直接轉(zhuǎn)換

該設(shè)計(jì)具有 40V 至 60V 的輸入范圍和 V OUT ，適用于 1.8V典型值 的英特爾 VR13HC 處理器， 完全符合英特爾的測試計(jì)劃。此外，它還可以為 1.2V Typ的 DDR 供電。

它還具有 205W TDP 和 413W Max。I OUT Max 在 570KHz 的開關(guān)頻率下為 228A。功率密度為 100W/in 2 ，電路板占位面積為 1.6×2.6″。

我將 STMicroelectronics 評為“A”級，因?yàn)樗鼮樵O(shè)計(jì)人員提供了出色的數(shù)據(jù)中心電源選項(xiàng)。

英飛凌

向 48V 拓?fù)浼軜?gòu)的轉(zhuǎn)變是由機(jī)架中不斷增加的功率水平推動的。Nvidia 去年完全改用 48V。就在那時(shí)，他們推出了DGX-2平臺。采用 48V 解決方案的截止值在 10 到 20 kW 之間，在如此高的 GPU 電流消耗架構(gòu)中，必須盡可能地將損耗降到最低。英飛凌有許多解決方案，包括在某些設(shè)計(jì)中使用 GaN 功率元件。一個(gè)例子是使用 GaN 將交流電源直接轉(zhuǎn)換為 48V 的電源區(qū)域。對于每個(gè) CPU/GPU，此功率級別約為每個(gè)處理器 500W，并且所有處理器電路通常位于板上 10×10 厘米的區(qū)域中，用于單個(gè)處理器。

在卡級別，英飛凌擁有基于 GaN 的半橋以及傳統(tǒng)的硅解決方案，具體取決于客戶需要的權(quán)衡和考慮。英飛凌還有另一個(gè)很好的解決方案供設(shè)計(jì)人員考慮：GaN 晶體管。

這種拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)中的 48V 系統(tǒng)可以通過全橋整流實(shí)現(xiàn)。隨著計(jì)算架構(gòu)轉(zhuǎn)向使用 GPU 進(jìn)行更多并行處理，每個(gè)機(jī)架的功耗增加了兩倍，達(dá)到 20 kW 或更高。對于這個(gè)用例，使用 12V 電源的配電損耗太大。它通常是帶有 GPU 和高端 FPGA 和 ASIC 的加速器卡，用于執(zhí)行定制的 AI 工作負(fù)載。因此，機(jī)架上 48V 電源越來越受歡迎，并強(qiáng)調(diào)效率。

通過使用 35 mΩ GaN 器件填充初級側(cè)半橋，可以在 DC-DC 級中實(shí)現(xiàn)進(jìn)一步的改進(jìn)。利用較低數(shù)量級的 Qoss 電荷，以及對諧振頻率和磁化電感的相關(guān)調(diào)整，將系統(tǒng)效率提高約 0.3%。將變壓器設(shè)置更改為矩陣結(jié)構(gòu)，串聯(lián)初級繞組和并聯(lián)次級繞組，可再提高 0.3%。

PFC 和 LLC 級的改進(jìn)相結(jié)合，可將功率密度為 30 至 35 W/英寸3的峰值效率 提高至 98.5%。英飛凌還與所有模塊化電源制造商合作，為其解決方案授權(quán)。該公司仍然認(rèn)為 12V 服務(wù)器將在一段時(shí)間內(nèi)繼續(xù)成為服務(wù)器市場的重要組成部分。

對于未來，他們看到中間 12V 下降到 7、6 或 5V。在這些情況下，解決方案的尺寸會隨著頻率的提高而縮小，并且電源可以更靠近處理器。今天英飛凌的典型功率級是相同功率范圍內(nèi)的 5×6 和 3×5。

ADI 公司

ADI 公司的數(shù)據(jù)中心電源管理解決方案架構(gòu)分為兩個(gè)階段，先使用 LTC7821(48V 至 12V)，然后使用 LTM4700(微型模塊)在 100A 以上(它們是多相的)從 12V 變?yōu)?0.x V。

第一步是使用具有 40V 至 60V 輸入范圍的 LTC7821 將 48V 降至 12V?？梢允褂眯⌒?(0.75×0.73 in) 2μH 電感器，例如 SER2011-202ML，因?yàn)殚_關(guān)頻率高達(dá) 400 kHz，并且電感器 在開關(guān)節(jié)點(diǎn)處僅承受 V IN的一半。

布局：通過使用 PC 板的頂部和底部，總線轉(zhuǎn)換器的一種可能布局具有 2.7 cm 2的占位面積 。效率在 15A 左右時(shí)接近 98%。

12V 至處理器電壓

下一步是從 12V 降至所需的處理器電平。LTM4700 μModule 用于此目的。轉(zhuǎn)換器模塊可以輸出 0.9V，同時(shí)在 325 kHz 至 425 kHz 之間切換電平。多個(gè)模塊可以并聯(lián)以獲得更高的電流，例如在 400A 下使用四個(gè) LTM4700 模塊進(jìn)行 8 相操作。

在 12V 輸入和 1V 輸出 @ 100A、200 LFM 氣流下，該器件可以在大約 73.4oC 的溫度下運(yùn)行而無需散熱。可以使用 I 2 C、SMBus 或 PMBus 接口。

設(shè)計(jì)人員有廣泛的電源管理選項(xiàng)可供選擇，用于這個(gè)蓬勃發(fā)展的數(shù)據(jù)服務(wù)器領(lǐng)域。設(shè)計(jì)師的職責(zé)是與客戶合作，為他們的特定需求創(chuàng)建最佳解決方案。會有妥協(xié);然而，我們的設(shè)計(jì)專業(yè)知識與電源 IC 公司、他們多樣化和創(chuàng)造性的解決方案以及他們的專家經(jīng)驗(yàn)相結(jié)合，將有助于提供一個(gè)成功的最終解決方案來滿足客戶的需求。