供電網路將何去何從?

作者 : 翁鴻裕,美商懷格股份有限公司台灣區總經理

隨著各產業向48V、400V和800V等最新供電網路(power delivery network;PDN)過渡,也為非傳統供電架構和技術帶來可顯著提高效能的許多機會...

每一款電子設備或系統都有一個由纜線、匯流排、連接器、電路板(PCB)銅箔電源層以及AC-DC和DC-DC轉換器及穩壓器組成的供電網路(power delivery network;PDN)。決定PDN效能的是其整體架構,例如AC或DC電壓配電的使用、特定電壓和電流強度,以及網路需要進行電壓轉換和穩壓的時間與次數。

經過多年的發展,PDN已在很多特定產業中實現了標準化,例如國防與航太工業中的270V和28V,通訊基礎設施應用中的-48V以及汽車中使用的12V PDN,這些後來都成了電腦伺服器和工業應用中的標準。因此,圍繞著標準PDN建立起了數十億美元的產業。

隨著各產業向48V、400V和800V等最新PDN過渡,也為非傳統供電架構和技術帶來可顯著提高效能的許多機會。

圖1:Vicor的高效能電源模組。

企業及高效能運算(HPC)的先進系統、通訊與網路基礎設施、自動駕駛車以及大量交通運輸應用,還只是高成長產業中需要更大功率的少數幾個。隨著負載數量和負載功率不斷增加,當PDN基於12V時,這些系統對實現高效能提出了複雜的設計挑戰。

由於採用更高的電壓具有挑戰性,再加上採用12V的長期成功經驗與應用,以及幾十年來已建立了龐大的供應鏈生態系統,因而很合理地會抗拒任何改變。

圖2:Vicor 12V PDN架構。

48V的出現

電信產業使用48V PDN已有幾十年了。48V是最好的選項,因為:

  1. 它是安全超低電壓(SELV),SELV意味著它具有較低的觸電風險;
  2. 可以用較細纜線進行遠距離電流傳輸,線電壓衰減也較小
  3. 「常開」要求促使該產業使用12V鉛酸蓄電池進行串聯提供48V電壓。

隨著網際網路、筆記型電腦和行動電話的出現,通訊網路基礎架構已變得越來越複雜,因此,48V PDN基礎架構必須為許多由網路處理器陣列、記憶體和控制系統負載組成的複雜新型負載供電。這就帶來了一項挑戰,因為大量的現有技術都集中在12V,半導體轉換器及穩壓器元件都是針對12V工作電壓進行的最佳化。

為了解決這個48V至12V的轉換問題,業界開始部署中間匯流排架構(IBA),並迅速成為通訊及網路基礎架構應用中的既定標準。中間匯流排轉換器(IBC)是隔離式非穩壓固定比率(1/4)轉換器,由幾家公司聯合開發,採用符合DOSA和POLA接腳輸出標準的開放式架構封裝,可實現多源輸出。

圖3:PDN -48V。

IBA屬於安全低電壓,因此安規上並不要求隔離。為了避免電極腐蝕,將電池的正極接地,從而產生了-48V電壓。而透過隔離型IBC,可以將-48V匯流排電壓轉換為+12V,為下游的負載供電。將隔離式固定比率匯流排轉換器作為DC-DC變壓器,隨後使用-48V輸入為下游負載點(PoL)穩壓器提供+12V輸出。

資料中心的人工智慧(AI)等先進應用正推動資料中心從12V轉向48V PDN,並從IBA轉向新的架構。處理器及相關伺服器機架功率級的顯著提升已明顯超過了12V和IBA所能達到的水準。

對於汽車市場而言,滿足要求降低汽車CO2排放的立法和新標準的需求,是探索車輛電氣化的催化劑。這催生了48V電池,以支援新的輕度混合動力系統、安全及娛樂系統設計。

 更高電壓的全新PDN

隨著更高的系統功率需求出現,基於380V和48V的PDN現已變得更加複雜,因為許多產業仍試圖在負載點保留原有的12V PDN基礎架構。其它的PDN挑戰來自新的大功率電源電源,如純電動(EV)車輛以及高效能車輛中的800V電池等。

在這些新系統及新應用中,供電可分為三個基本部分:

  1. 大功率電源轉換為48V;
  2. 中間匯流排在48V下供電,然後進行轉換,有時候會穩壓至12V;
  3. 負載點電源從12V或者48V電壓進行轉換,為負載供電。

 大功率電源

大功率電源轉換為中間48V PDN的創新機會主要取決於以下幾方面:

  1. 實現更高功率密度;
  2. 使用模組化方法實現冗餘及可擴充性;
  3. 透過散熱良好的平面封裝實現先進散熱技術;
  4. 採用高效率的固定比率轉換器,由下游元件實現穩壓功能。

隨著功率級不斷提高,大功率電源系統設計的挑戰現已變得越來越複雜。管理大功率電源轉換器的尺寸和重量,並針對高功耗進行散熱,是大多數應用關注的主要方面。如果尺寸和重量不是問題,就可以實現極高的效率,並可透過風扇散熱實現熱管理。

然而,大多數應用都在要求提高功率密度。電源系統工程師應該考慮使用電源模組設計和建構這些大功率轉換器的優勢,而不是從頭建構離散式設計。電源模組與創新的架構、拓撲、控制系統以及封裝相結合,可提供改善大功率PDN效能的新方法。

圖4:高電壓轉48V。

如果大功率源為AC或高壓DC,則需要進行隔離。在任何轉換器中,隔離級都會增加功耗,但如果中間匯流排PDN包含PoL級(即48V至12V)的穩壓,則可能不需要具穩壓輸出。這種方法有兩個考慮因素:

  1. 電源的輸入範圍(固定比率轉換器會根據其匝數比或K因數將該輸入電壓反映至輸出,就像變壓器一樣)和下游轉換器/穩壓器的輸入電壓範圍。
  2. 對於三相AC電源,系統是否需要功率因數校正(PFC)。

資料中心和百萬兆級(exascale)運算通常需要在有限的空間內獲得最大的處理能力,因此它們從高密度元件及先進的散熱技術中獲得了極大的優勢。在某些情況下,完全浸入式散熱是將整個伺服器部署在一個氟化液槽中。此外,其它高效能運算應用也在開發利用熱導管和冷卻板的散熱技術。在這些應用中,大功率電源系統的電源轉換及穩壓級都需要纖薄的平面封裝。

中間匯流排及負載點供電的創新

為48V中間匯流排PDN實現創新的機會主要取決於以下幾個方面:

  1. 利用非隔離的固定比率匯流排轉換器實現48V至12V的轉換;
  2. 部署高功率密度的穩壓電源模組轉換器;
  3. 採用較IBA效能更高的架構:分比式電源架構(FPA)。

圖5:48V轉換12V隔離。

從12V中間匯流排PDN過渡到48V PDN,既有挑戰,也存在優勢。極度提升讓供電盡可能接近PoL的48V穩壓供電,將可減少纜線、連接器和PCB銅箔電源層、尺寸、重量以及成本。PoL的空間限制是普遍都存在的問題,因此轉換器必須具備高功率密度和高效率。只要PoL穩壓器可以處理其輸入端電壓變化(等於匯流排轉換器的電壓輸入範圍除以匝數比或K因數[VIN/K=VOUT]),非隔離式固定比率匯流排轉換器就是最好的選項。如果大功率電源轉換器設計有合理的穩壓公差,那麼這種設計方法不僅可行,而且很有優勢。

有些設計中大功率電源轉換器或大容量電源(如48V電池)具有寬輸出電壓範圍,則可能需要根據PoL穩壓器輸入電壓規格使用穩壓DC-DC轉換器。在48V轉12V階段增加穩壓,可能會使轉換器效率降低2%到4%,端視拓撲而定。

圖6:DC-DC轉換與穩壓。

為了真正推動PDN設計發展,顯著提高PoL的效能和高電流密度,可以考慮採用全新的Vicor分比式電源架構(FPA)。FPA內建一種稱為電流倍增器的新型轉換器,不僅能以高效率與高密度地直接將48V轉換為負載電壓,而且還可部署在離負載很近的位置。這在大電流應用中極具優勢,因為它降低了轉換器至負載之間的PDN阻抗,該阻抗不僅造成了很高的導通損耗,也會影響負載的di/dt暫態效能。

電流倍增器是固定比率轉換器,因此需要一個上游穩壓級來完成FPA設計。為了在最小化功耗的同時,最大限度地提高效率和密度,穩壓器模組的工作輸入和輸出電壓均設定為48V,所選擇的電流倍增器K因數可為負載提供所需的輸出電壓。

隨著許多產業的功率級提升,採用更高電壓的PDN可減少挑戰,同時也增加了複雜性。電源系統工程師應該評估來自新供應商的新拓撲和架構,以實現顯著的系統效能優勢。發展、進步及創新總是需要新思維、新理念和新方法。當您的業務需求變革時,必須接受一切可能。探索和研究備選方案,在很多方面都是值得的。

 

本文同步刊登於《電子工程專輯》雜誌2020年8月號

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