【導(dǎo)讀】隨著對(duì)人工智能(AI)、機(jī)器學(xué)習(xí)(ML)及云應(yīng)用的依賴日益加深，市場(chǎng)對(duì)緊湊、高效且可靠的電源轉(zhuǎn)換解決方案產(chǎn)生了前所未有的需求。本文將介紹一款面向傳統(tǒng)數(shù)據(jù)中心48V中間總線轉(zhuǎn)換的1/4磚DC?DC轉(zhuǎn)換器參考設(shè)計(jì)，其性能優(yōu)于現(xiàn)有市售方案。這款參考設(shè)計(jì)在標(biāo)準(zhǔn)封裝尺寸內(nèi)采用了ADI分立器件方案，可提供極具競(jìng)爭(zhēng)力且可擴(kuò)展的解決方案，以滿足高性能應(yīng)用（包括超大規(guī)模計(jì)算與工業(yè)系統(tǒng)）不斷增長(zhǎng)的需求。
引言
1/4磚模塊(QBM)參考設(shè)計(jì)是一款基于ADI公司1/4磚(QB)系統(tǒng)架構(gòu)的高性能DC?DC轉(zhuǎn)換器。它采用全新系列耦合電感，滿足嚴(yán)格的分布式電源開(kāi)放標(biāo)準(zhǔn)聯(lián)盟(DOSA)尺寸要求，并在標(biāo)準(zhǔn)封裝尺寸(CFP)內(nèi)實(shí)現(xiàn)2kW連續(xù)功率輸出。借助該設(shè)計(jì)方案，QBM解決方案降低了傳統(tǒng)硬開(kāi)關(guān)轉(zhuǎn)換器的累積損耗，提升了工作效率，為高要求應(yīng)用提供了高可靠性方案。
通過(guò)利用ADI最新的48V/54V轉(zhuǎn)12V中間總線轉(zhuǎn)換(IBC)技術(shù)，該參考設(shè)計(jì)簡(jiǎn)化了系統(tǒng)復(fù)雜度，助力客戶縮短研發(fā)周期。本文提供的完整測(cè)試數(shù)據(jù)表明，該設(shè)計(jì)方案在轉(zhuǎn)換效率、熱性能與可擴(kuò)展性方面均實(shí)現(xiàn)了明顯的提升，適合作為面向傳統(tǒng)高功耗數(shù)據(jù)中心環(huán)境的新一代電源模塊。此外，該架構(gòu)可滿足當(dāng)前IBC應(yīng)用需求，并為未來(lái)采用400V～800V總線電壓的高壓系統(tǒng)提供兼容路徑。
QBM設(shè)計(jì)
如圖1所示，QBM參考設(shè)計(jì)采用業(yè)界通用的DOSA標(biāo)準(zhǔn)機(jī)械引腳排列，確保無(wú)縫集成到現(xiàn)有系統(tǒng)主板中。以單模塊方式工作時(shí)，引腳排列可簡(jiǎn)化為僅包含PMBus?信號(hào)。詳細(xì)引腳配置如表1所示。
表1：ADI 1/4磚模塊參考設(shè)計(jì)引腳配置
圖1：QBM參考引腳配置
該參考設(shè)計(jì)采用平頂?shù)装澹捎行殡娫崔D(zhuǎn)換器FET進(jìn)行散熱，如圖2所示。該底板經(jīng)過(guò)優(yōu)化設(shè)計(jì)，可實(shí)現(xiàn)出色的熱管理，搭配現(xiàn)成的1/4磚散熱器使用時(shí)，能夠支持更長(zhǎng)時(shí)間的功率輸出。
圖2：配備平頂?shù)装迮c現(xiàn)成擴(kuò)展散熱器的QBM
用戶可通過(guò)ADI專有且易用的LTpowerPlay?軟件，配合DC1613適配器，對(duì)QBM參考設(shè)計(jì)進(jìn)行參數(shù)配置。該工具支持用戶設(shè)置典型工作參數(shù)，定義故障觸發(fā)閾值及對(duì)應(yīng)響應(yīng)動(dòng)作，并記錄工作周期，以實(shí)現(xiàn)全面的監(jiān)測(cè)與控制。圖3展示了QBM在LTpowerPlay中的用戶界面。
圖3：用于調(diào)整各項(xiàng)參數(shù)的LTpowerPlay配置GUI
電氣性能
本節(jié)重點(diǎn)介紹關(guān)鍵電氣性能指標(biāo)，彰顯ADI QBM參考設(shè)計(jì)相較于市面上現(xiàn)有QBM的性能優(yōu)勢(shì)。其中最關(guān)鍵的參數(shù)為效率及相關(guān)功率損耗。為實(shí)現(xiàn)精準(zhǔn)評(píng)估，效率測(cè)量在端子前端進(jìn)行，確保僅評(píng)估DC?DC轉(zhuǎn)換器本身性能。該方法可幫助工程師設(shè)計(jì)定制化端子，進(jìn)一步優(yōu)化整體系統(tǒng)。圖4展示了輸入電壓48V至60V工作條件下的效率曲線。
圖4：輸入電壓48VIN至60VIN時(shí)的QBM效率曲線
這款QBM經(jīng)過(guò)精心設(shè)計(jì)，可實(shí)現(xiàn)出色的效率，滿載時(shí)效率超過(guò)97%，峰值效率可達(dá)98%。這種性能可顯著降低功率損耗、優(yōu)化熱管理，最大程度地減少數(shù)據(jù)中心運(yùn)行過(guò)程中的散熱需求。此外，該設(shè)計(jì)針對(duì)50V工作電壓優(yōu)化，非常適合作為未來(lái)高壓(HV)數(shù)據(jù)中心架構(gòu)的理想下游轉(zhuǎn)換器，包括采用16:1轉(zhuǎn)換比的800V系統(tǒng)。
熱性能
熱性能是高功率密度解決方案的關(guān)鍵指標(biāo)。從技術(shù)上看，該轉(zhuǎn)換器可支持較大功率輸出，但最終會(huì)受到限定體積內(nèi)熱設(shè)計(jì)功耗的約束。該QBM參考設(shè)計(jì)證明，即使在空間受限的環(huán)境中，它仍可輸出額定功率，且不會(huì)觸發(fā)過(guò)熱關(guān)斷。
圖5：環(huán)境溫度25°C、輸入48VIN時(shí)的熱成像圖
圖6：環(huán)境溫度25°C、輸入54VIN時(shí)的熱成像圖
圖5和圖6分別是48V和54V工作條件下的熱成像圖。結(jié)果顯示，在未加裝擴(kuò)展散熱器的平頂?shù)装灞砻妫瑴囟确植季鶆颍瑹狳c(diǎn)與其他區(qū)域溫差極小。這表明關(guān)鍵器件布局合理，銅層設(shè)計(jì)高效，從而最大限度降低熱量集中，確保系統(tǒng)在無(wú)熱限制的情況下可靠工作。
故障響應(yīng)
該QBM參考設(shè)計(jì)集成了LTC2971作為電源管理控制器，符合PMBus 1級(jí)規(guī)范。該控制器可監(jiān)控電壓、電流和溫度等關(guān)鍵參數(shù)，并執(zhí)行相應(yīng)的故障響應(yīng)。用戶可配置模塊，使其在特定故障條件下鎖存或重試，從而兼具靈活性與完善的系統(tǒng)保護(hù)能力。
圖7：QBM達(dá)到OTP水平后關(guān)斷5秒
圖8：LTpowerPlay曲線顯示QBM達(dá)到OTP水平后立即關(guān)斷
圖7展示了過(guò)溫保護(hù)(OTP)測(cè)試。QBM配置為在75°C時(shí)關(guān)斷，觸發(fā)后恢復(fù)時(shí)間為5秒。圖8中的LTpowerPlay曲線同樣表明，QBM溫度達(dá)到75℃時(shí)便會(huì)關(guān)斷。
這可通過(guò)LTpowerPlay圖形用戶界面(GUI)進(jìn)行配置。實(shí)際應(yīng)用中，QBM可配置為耐受最高90℃，之后才會(huì)觸發(fā)OTP動(dòng)作。
并聯(lián)運(yùn)行
QBM參考設(shè)計(jì)的另一項(xiàng)關(guān)鍵特性是支持并聯(lián)運(yùn)行，以滿足更高功率需求。該方案支持最多9個(gè)模塊并聯(lián)，限制僅來(lái)自圖9所示的LTC2971尋址方案。
圖9：QBM中采用的LTC2971尋址方案
在這次評(píng)估中，氣流方向?yàn)閺膱D中右側(cè)流向左側(cè)。測(cè)試裝置還在未安裝底板的條件下進(jìn)行評(píng)估，以分析模塊內(nèi)部各功率級(jí)的熱點(diǎn)分布，如圖10所示。
圖10：兩個(gè)QBM模塊并聯(lián)運(yùn)行的測(cè)試裝置
模塊之間的電流失配度是衡量并聯(lián)運(yùn)行性能的主要指標(biāo)。圖11顯示了兩個(gè)模塊在總功率4kW工況下的讀數(shù)。電流失配度越低，均流效果越好。這一點(diǎn)也十分重要，可以確保各模塊在相同的熱條件下運(yùn)行，最大限度地發(fā)揮兩個(gè)模塊的功率輸出處理能力。圖12展示了該測(cè)試裝置下的電流失配性能。
圖11：兩個(gè)QBM模塊在4kW工況下運(yùn)行，電流差為4A
圖12：不同負(fù)載條件下兩個(gè)模塊的電流差曲線
圖13所示的熱成像圖展示了兩個(gè)QBM模塊在無(wú)底板條件下以4kW功率運(yùn)行的狀態(tài)。整體熱性能分布趨勢(shì)一致，各對(duì)應(yīng)區(qū)域之間的溫度差為個(gè)位數(shù)。
基于上述關(guān)鍵性能指標(biāo)，ADI QBM參考設(shè)計(jì)為需要在CFP封裝內(nèi)實(shí)現(xiàn)高功率IBC應(yīng)用、追求頂級(jí)性能的客戶，提供了一套簡(jiǎn)潔、穩(wěn)健且極具競(jìng)爭(zhēng)力的解決方案。
圖13：兩個(gè)QBM模塊并聯(lián)運(yùn)行時(shí)的熱成像圖
結(jié)語(yǔ)
受到AI與機(jī)器學(xué)習(xí)快速發(fā)展的影響，傳統(tǒng)數(shù)據(jù)中心在滿足日益增長(zhǎng)的高性能計(jì)算需求方面，面臨著愈發(fā)嚴(yán)峻的挑戰(zhàn)。當(dāng)前，直流供電架構(gòu)正逐步在系統(tǒng)層面采用更高功率密度的解決方案，通過(guò)使用48V和54V總線電壓，相比傳統(tǒng)12V系統(tǒng)可顯著降低功率損耗。在此轉(zhuǎn)型過(guò)程中，中間總線轉(zhuǎn)換器(IBC)是關(guān)鍵器件，尤其是1/4磚電源。這類緊湊高效的DC?DC轉(zhuǎn)換器在將高壓直流輸入轉(zhuǎn)換為處理器及外圍系統(tǒng)所需的低壓供電方面，發(fā)揮著至關(guān)重要的作用。
面對(duì)AI的迅猛發(fā)展，48V/54V架構(gòu)能否持續(xù)滿足市場(chǎng)日益攀升的功率需求？敬請(qǐng)了解ADI為直面這一挑戰(zhàn)而開(kāi)發(fā)的最新解決方案。
