关于提高数据中心功率密度与能效新方案的分线和介绍

如今，随着用户对无线网络和数据中心需求的迅速增长，你还在为减小数据中心尺寸并提高功率密度而发愁吗？

目前数据中心的机架最大额定功率通常为 20kW，数据中心背板通常是采用单相或多相同步降压调节器，将12V电源电压降至 1V左右给主板配电。为了减小数据中心的整体尺寸，开放计算项目（OCP）和谷歌都提出采用 48V 背板配电将每个机架的功率密度提高到100kW。然而，以现有的传统同步降压调节器技术根本无法实现这种设想。

Q: 如何在不增加成本的前提下，提高数据中心的功率密度呢？ A:

本文给大家介绍一套灵活、可调、高性价比的两级架构解决方案。此方案将对下一代服务器的功率传输大有裨益。

第一级

首先，将48V电压分布至整块电路板上，然后使用半桥LLC谐振变换器降压至可变的中间电压值，通常为 5-8V。可变 5-8V电压集中供电给CPU 和存储电源群，其余配电功率（总计约 50W）还需要通过一个转换器将5-8V进行降压转换。

半桥LLC谐振变换器能实现 98% 的峰值转换效率。5-8V中间浮动电压有利于实现软开关切换。由于第一级输入电压低于 60V，无需实行电气隔离。若采用变压器代替LLC 电感，既有助于将48V电压降压调节至 5-8V，又有助于实现功能性隔离。此方案的基本设计理念是将第一级模块化（见图1）。

图1：第一级模块前视图

第一级模块的输出功率可以随负载变化进行调节，例如，仅需2颗模块即可提供典型单处理器服务器所需的功率。第一级的另一个独特之处为多源极。当氮化镓GaN等技术普及之后，可以在不影响下游解决方案的情况下无缝替换这些模块。未来可采用新型严格校准高精度转换模块直接替换精度较差的 5-8V 输出模块，而不会对整个系统造成任何干扰。这也大大提高了系统的互通性与可调性。

第二级

第二级电源选型完全取决于负载功率等级。在毫安负载条件下，第二级可以简单使用线性低压差调节器（LDO）进行电压转换。随着功率等级不断提高，第二级需采用单相同步降压调节器进行转换。

与典型的 12V 电源相比，由于第二级电源输入电压降低，芯片无需满足低占空比的工作要求，也无需内置高击穿电压场效应管（FET），这不仅可以降低元器件成本，系统损耗也随之减少。

针对处理器和存储器中的大电流应用，可采用多相交错并联转换器的方式输出功率（见图2）。在前馈控制的优化之后，多相转换器峰值效率最高能达到97%。若采用高频转换器，只需要使用更小尺寸的电感和更少的电容，第二级的整体布局将大大缩小。

图2：第二级

敲黑板划重点啦！

综上所述，采用两级电源架构解决方案有以下优点：

1高效率：

采用两级架构的总效率约为 95%，不仅超过了48V转换1V的目标效率93%，而且可匹敌最先进的12V转换1V效率。

2小尺寸：

因为模块可以竖直贴装，所以不会增加电路板的尺寸。第二级布局的缩减有利于扩大第一级模块布局。

3灵活可调：

可迭代替换第一级模块，可灵活选用第二级转换器，提高了解决方案的可调性。

6“加量不加价”：

在保证数据中心的成本和尺寸不变的前提下，实现了每机架100kW的功率密度。