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(jì)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(shí)，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(jí)計(jì)算機(jī)有何共同點(diǎn)？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(jì)緊湊，以盡可能減小電源電路和負(fù)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(fù)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(gè)轉(zhuǎn)換步驟的效率達(dá)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(gè)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(fù)載電流為100 A時(shí)，該解決方案的效率可達(dá)90%以上。而且，該模塊可提供最高200 A的輸出電流。多個(gè)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(dá)200 A時(shí)，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(shí)，占空比通常僅有1%左右，這給電路設(shè)計(jì)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(shí)間），在較高開關(guān)頻率下難以實(shí)現(xiàn)如此低的脈沖寬度比（占空比），從而導(dǎo)致效率難以達(dá)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(gè)電源轉(zhuǎn)換器級(jí)便可完成轉(zhuǎn)換。這種方法不僅節(jié)省了空間，而且因?yàn)?8 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(jì)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(fù)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(jìn)的數(shù)字控制功能，便于實(shí)時(shí)監(jiān)控電壓、電流、溫度和故障。內(nèi)部EEPROM可以存儲(chǔ)各種設(shè)置和錯(cuò)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(jìn)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(xiàng)。

關(guān)于ADI公司

Analog Devices, Inc. (NASDAQ: ADI)是全球領(lǐng)先的半導(dǎo)體公司，致力于在現(xiàn)實(shí)世界與數(shù)字世界之間架起橋梁，以實(shí)現(xiàn)智能邊緣領(lǐng)域的突破性創(chuàng)新。ADI提供結(jié)合模擬、數(shù)字和軟件技術(shù)的解決方案，推動(dòng)數(shù)字化工廠、汽車和數(shù)字醫(yī)療等領(lǐng)域的持續(xù)發(fā)展，應(yīng)對氣候變化挑戰(zhàn)，并建立人與世界萬物的可靠互聯(lián)。ADI公司2024財(cái)年收入超過90億美元，全球員工約2.4萬人。ADI助力創(chuàng)新者不斷超越一切可能。更多信息，請?jiān)L問www.analog.com/cn。

作者簡介

Frederik Dostal是一名擁有20多年行業(yè)經(jīng)驗(yàn)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(xiàng)目中實(shí)施電源管理解決方案，進(jìn)而積累了不少經(jīng)驗(yàn)。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(fù)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(gè)產(chǎn)品線和歐洲技術(shù)支持職位，具備廣泛的設(shè)計(jì)和應(yīng)用知識(shí)，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。