為了提升能源使用效率、減少耗電,許多既有的12V配電系統開始朝向48V推進。的確,48V高壓配電系統可以提升能源使用效率、減少浪費的電力,讓整體裝置可更符合節能環保的要求,因此伺服器、工業、電動車、醫療…等,已開始由既有的12V電源系統轉向48V。

然而48V高壓配電系統也為半導體、模組廠商帶來新的挑戰。例如能量轉換效率、能量儲存、尺寸與重量,以及成本…等。為順利解決這些挑戰,近期,元件及模組供應商紛紛端出可解決上述問題的產品,以期能跟隨各產業朝向48V電源系統的趨勢,並拓展48V電源系統的市場。

解決高電壓伺服器機架電源挑戰

在人工智慧(AI)、雲端運算(Cloud Computing)、機器學習(Machine Learning)與大數據應用的推動下,由於這些應用皆為資料密集型,對於運算處理的需求相當高,以至於對於電源的需求不斷增長,也導致資料中心的功耗與熱能的產生數量也不斷持續攀升。

另一方面,更高壓的配電系統,其效率和密度勢必更高,這也表示整體系統會有更低的損耗、更低的散熱需求、更低的高的空間利用效率,以及更大的經濟效益。因此,Google體悟到未來的高運算應用,將讓現有的資料中心伺服器的處理單元產生更多熱能,無法再用傳統風冷技術散熱,加上了解高壓配電系統帶來的優勢,該公司率先宣佈將把伺服器電源系統從12V升到48V後,使高壓電力系統開始受到各方矚目。

Vicor行銷與業務發展部副總裁Robert Gendron表示,48V配電系統是運用細小規格電源線即能配送大功率機架電源的新興標準,與傳統12V配電相比,可顯著降低配電損耗。因此Google登高一呼後,群雄群起效尤,然而現有的資料中心12V配電系統伺服器如何以最小的更動和成本升級至48V,以及48V配電系統如何順利降壓為處理器如CPU、GPU使用的0.8V、3.3V…等低電壓,甚至保持和12V系統一樣的轉換效率,在在成為伺服器機架的新難題。

為協助伺服器機架跨越48V配電系統衍生的技術門檻,Vicor順勢推出10kW PowerTablet AC-DC轉換器模組(RFM)。Vicor產品行銷總監Ian Mazsa指出,資料中心電腦使用的電源都是由 交流線路供應,再透過系統的電源供應處理為其他部分所需的電壓,因此電源系統的密度與效率相當重要,也需要考量交流電線電壓轉換為電路子供電所需的直流電壓前端。這也意味著高功率供電的解決方案要滿足三相直接接線至機架中、支援安全電壓至48V輸出,以及提供模組化的電源元件等條件。

Mazsa說明,10kW PowerTablet AC-DC轉換器模組是根據上述的條件研發而成,其中,三相輸入電路的設計,目前伺服器電源系統主要都是單向,三相的優勢在於可以消除與單向有關的相位與負載平衡問題,因此雖說三相電路的成本勢必較高,但對多數資料中心業者而言,其帶來的優勢—可取得更多電力且又能順利冷卻,會讓業者思考由單向轉相三相輸入電路的必要性。

10kW PowerTablet AC-DC轉換器模組其他優勢包括簡單易用、平板封裝型式可提供良好散熱效率、支援150W~15kW功率輸出,以及在24cm×15cm×1.5cm的尺寸提供較傳統AC-DC高四倍的功率密度。

由於10kW PowerTablet AC-DC轉換器模組具備的優勢,使其已獲包括Google、Nvidia…等廠商認可。Mazsa強調,PowerTablet不僅可用於伺服器機架,舉凡高壓應用,都有其發揮的空間,甚至可能取代現有配電架構。

更小尺寸實現更高功率密度

高電壓系統不只在伺服器市場發酵,包括工業、電信系統也開始走入高電壓電源系統。但要在空間有限的環境中建構48V或更高的電源系統,產品的尺寸,以及在有限的空間提高功率密度會是一大挑戰。

德州儀器(TI)類比IC應用經理蕭進皇表示,現今電源市場的趨勢為高電壓、高功率密度、更好的抗EMI/EMC能力與更低的待機電源(IQ),在更高電壓與功率密度上,由於現有空間配置有限,產品必須進一步小型化,且提升整合度,如此一來,不僅可縮小產品尺寸,還能更易於使用。

模組化電源產品兼具小型化、高功率密度與簡易使用的特性,符合電源市場發展趨勢;而新材料氮化鎵(GaN)則可支援高電壓應用所需。德州儀器(TI)產品市場工程師黃陸建表示,該公司新推出的模組化電源產品與600V GaN FET可以在更小的封裝尺寸內,實現更高功率密度,還能降低EMI符合EN55011(CISPR11)B級輻射放射標準,且由於模組內整合高頻輸入濾波電容和屏蔽電感,因此僅需4個外部元件,即可建構電源架構,簡化設計。

而德州儀器新推出的600V GaN FET可實現高達10kW應用。蕭進皇指出,開關是交換電源應用中最重要的元件,若要有更好的切換頻率,尺寸需縮小,效率則須提升,這意味著電力與成本的下降。600V GaN FET產品的功能與保護特性,可簡化設計,實現更高的系統可靠度與最佳化高壓電源供應的效能,並可為傳統串接和獨立的GaN FET提供智慧替代解決方案。不僅如此,該FET還能協助AC/DC電源供應器、機器人、可再生能源、電網基礎設施、通訊及個人電子應用的設計工程師打造更小、更高效且更高性能的設計。

高電壓電路架構更需保護

各種電路為了安全起見都需要保護與隔離元件的協助,以免造成無可彌補的傷害,在許多應用系統走向高電壓電源系統的同時,隔離元件的角色則更顯得舉足輕重。德州儀器隔離系列產品市場經理Neel Seshan表示,無論是通訊、工業、伺服器、大型醫療設備,都體認到高電壓電源系統所帶來好處,但高電壓電源系統的安全性,也需相當關注,此時隔離元件將能提供較佳的安全性,提升應用系統的可靠度。

德州儀器推出一系列隔離元件,供近期很夯的工業4.0、自動駕駛、醫療…等應用使用。Seshan透露,過去許多應用對於隔離元件都抱持非必要元件的態度,但隔離元件可保護操作人員和低壓電路避免受到高壓的影響,處理通訊子系統之間的接地電位差異,以及改善雜訊抑制能力,因此許多高壓應用系統開始採用隔離元件,也讓隔離元件市場跟著水漲船高。

高電壓電源系統帶來的優勢顯而易見,吸引許多業者投向其懷抱,甚至有意往更高的60V電壓系統邁進。也因此,相關元件/模組廠商也紛紛推出向對應的產品,解決高電壓電源系統帶來的新挑戰,並致力降低高電壓系統可能衍生的安全性問題。