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作者：Frederik Dostal，ADI公司電源管理主題專家 摘要 本文介紹了將高電壓（如48 V或54 V）直接一步轉(zhuǎn)換為內(nèi)核電壓（通常低于1 V）的可能性。這種轉(zhuǎn)換方式不僅能節(jié)省空間、提升效率，還能降低與設(shè)計輸入電源軌相關(guān)的成本。與使用12 V中間總線相比，承載相同功率時，布設(shè)高壓總線所消耗的銅更少。 數(shù)據(jù)中心數(shù)字處理器、高端FPGA、更大型的人工智能(AI)處理器和超級計算機有何共同點？答案是它們都需要電源來提供內(nèi)核電壓。內(nèi)核電壓通常低于1 V，電流水平從100 A以下到1 kA及以上不等。 構(gòu)建大電流、低電壓電源難度很大。為了盡可能減少散熱要求，高轉(zhuǎn)換效率至關(guān)重要。此外，電壓轉(zhuǎn)換器必須設(shè)計緊湊，以盡可能減小電源電路和負載（處理器）之間的寄生走線效應(yīng)，從而有利于快速響應(yīng)負載瞬變并更好地調(diào)節(jié)電壓。 圖1為一種常見的電壓轉(zhuǎn)換器架構(gòu)，首先將48 V電源電壓轉(zhuǎn)換為12 V直流鏈路電壓，然后在第二步將其調(diào)節(jié)到低于1 V的內(nèi)核電壓。 
圖1.分兩步從48 V轉(zhuǎn)換為0.8 V內(nèi)核電壓的電壓轉(zhuǎn)換架構(gòu) 盡管每一步的效率都很高，但兩步轉(zhuǎn)換的總體效率卻較低。由于累積損失，即使每個轉(zhuǎn)換步驟的效率達到93%，總效率也只有大約87% (0.93 × 0.93 = 0.8649)。
圖2.一步將48 V轉(zhuǎn)換為0.8 V內(nèi)核電壓的電壓轉(zhuǎn)換架構(gòu) 圖2為另一種轉(zhuǎn)換架構(gòu)，它采用μModule LTP8800-4A，能夠通過一個步驟直接將48 V電壓轉(zhuǎn)換為0.8 V的內(nèi)核電壓。當(dāng)負載電流為100 A時，該解決方案的效率可達90%以上。而且，該模塊可提供最高200 A的輸出電流。多個此類器件可以并聯(lián)工作，產(chǎn)生1000 A或更大的電流——這對于某些高端處理器至關(guān)重要。 專用內(nèi)核電壓轉(zhuǎn)換器，例如LTP8800-4A，可以在電流高達200 A時，一步產(chǎn)生0.5 V至1.1 V的內(nèi)核電壓。常規(guī)降壓轉(zhuǎn)換器電路難以應(yīng)對極低的占空比。從48 V轉(zhuǎn)換為0.5 V時，占空比通常僅有1%左右，這給電路設(shè)計帶來了很大的挑戰(zhàn)。由于開關(guān)穩(wěn)壓器的固有約束（如最短導(dǎo)通時間），在較高開關(guān)頻率下難以實現(xiàn)如此低的脈沖寬度比（占空比），從而導(dǎo)致效率難以達到理想水平。 免去直流鏈路電壓可簡化系統(tǒng)配置，電路只需要一個電源轉(zhuǎn)換器級便可完成轉(zhuǎn)換。這種方法不僅節(jié)省了空間，而且因為48 V或54 V的高電源電壓被直接送入內(nèi)核電壓轉(zhuǎn)換器，這還減少了銅需求，從而優(yōu)化了成本。
圖3.尺寸小巧，采用LTP8800-4A模塊 圖3展示了采用LTP8800-4A模塊的小尺寸解決方案。利用μModule器件可以獲得出色的電源，并避免傳統(tǒng)電路設(shè)計的復(fù)雜性。最終生成的電路結(jié)構(gòu)緊湊，易于集成到鄰近數(shù)字負載的電路板上。 現(xiàn)代內(nèi)核電壓轉(zhuǎn)換器（例如前面提到的μModule器件）通過PMbus連接提供先進的數(shù)字控制功能，便于實時監(jiān)控電壓、電流、溫度和故障。內(nèi)部EEPROM可以存儲各種設(shè)置和錯誤日志。此外，數(shù)字連接支持對電源轉(zhuǎn)換器的控制環(huán)路進行微調(diào)。 結(jié)論 新模塊可將48 V電壓直接轉(zhuǎn)換為內(nèi)核電壓，從而提供結(jié)構(gòu)緊湊且效率出色的電源架構(gòu)選項。 作者簡介 Frederik Dostal是一名擁有20多年行業(yè)經(jīng)驗的電源管理專家。他曾就讀于德國埃爾蘭根大學(xué)微電子學(xué)專業(yè)，并于2001年加入National Semiconductor公司，擔(dān)任現(xiàn)場應(yīng)用工程師，幫助客戶在項目中實施電源管理解決方案，進而積累了不少經(jīng)驗。在此期間，他還在美國亞利桑那州鳳凰城工作了4年，擔(dān)任應(yīng)用工程師，負責(zé)開關(guān)模式電源產(chǎn)品。他于2009年加入ADI公司，先后擔(dān)任多個產(chǎn)品線和歐洲技術(shù)支持職位，具備廣泛的設(shè)計和應(yīng)用知識，目前擔(dān)任電源管理專家。Frederik在ADI的德國慕尼黑分公司工作。 |
