非稳压中间总线转换器在数据中心中的应用

电源设计中的挑战

随着数据中心的供电需求不断攀升，尤其是那些致力于满足于AI算力需求的数据中心，电源系统不仅必须要持续提供更高的效率，还要提供更高的功率密度。

数据中心的电源架构一直在不断发展，以应对供电需求的增长和负载要求的变化。过去，每个机架都有其单独的AC/DC转换器，导致布线笨重且成本高昂。如今，中间总线转换器（IBC）简化了这一流程，使用大容量AC/DC转换器支持整台机柜，通常以48 V或54 V的安全电压提供直流电，以将欧姆（I2R）损耗最小化并维持可接受的电流水平。

在每个刀片中，IBC将48 V输入转换为中间总线电压（通常为12 V），然后通过负载点（PoL）转换器或最近常用到的电压调节器模块（VRM），在通常需要的较高电流下实现各种电路板和芯片所需的精确电压。传统上，IBC必须与电信应用中使用的36 V至75 V电压范围兼容，但由于数据中心环境不再使用备用电池（更多情况下使用不间断电源），IBC的输入电压可以优化到40 V至60 V或甚至更小的范围。

采用基于IBC的系统有着许多优势，包括更高效、布线成本更低、功率密度更高等。然而，引入额外的转换级意味着效率优势变得最为重要。

揭秘选择非稳压式IBC的真相

Flex Power Modules研发了不同类型的IBC，如非稳压式、稳压式和创新的混合调节比（HRR）等可选产品。设计人员必须评估成本、效率和特定系统需求等因素，以选择最合适的方案。

非稳压式IBC具有固定的转换率，例如4:1（即48 V输入转换为12 V输出），这使得它们能够实现最高的效率、最低的成本和最小的尺寸。然而，它们的输出电压与输入电压成正比，这意味着PoL转换器必须能够处理潜在的较大电压变化。

另一方面，稳压式IBC使用反馈或前馈环路以在更小的容差范围内控制输出电压，但这意味着这类IBC的效率低于非稳压式IBC。尽管如此，保持较小的输出电压范围可以显著提高PoL转换器的效率。

图 1：DC/DC转换器架构

HRR型号融合了两种方式，在切换到完全调节之前，在设定输入电压之内提供比例调节，结合两种系统的最佳特性，以适用于更多应用。

图 2：混合调节比（HRR）的运作方式

克服IBC设计中的挑战

在这些不同的方案中，要实现高效、可靠的IBC设计，必须解决多个技术挑战。

启动动态：初始功率应用可能会产生纹波电流峰值，存在损坏元器件或触发过流保护的可能性。调节开关频率或使用更大的输出电感器可以缓解这种情况。

同步整流：使用MOSFET代替二极管进行整流，压降较低，这种方法提高了效率。但是，它也带来了复杂性，尤其是考虑到转换器驱动时序这一因素。

反向能量管理：MOSFET可以双向传导电流，在突然关机时会带来风险。适当的控制策略，包括及时停用MOSFET等，对于防止不必要的反向电流至关重要。

许多工程师更倾向选择从制造商那里采购功能完善的IBC模块，它们既能应对以上的挑战，同时又最大限度地提升性能与效率。

将理论化为实践

Flex Power Modules推出了多个非隔离非稳压式IBC的解决方案，如BMR313，BMR314和BMR320等。

BMR313适用于狭窄空间，以细微之身（23.4 x 17.8 x 7.65 毫米）提供3 kW峰值功率，以4:1输入输出比实现惊人的908 W/cm³功率密度。BMR313巧用了安森美最新一代中间总线数字控制器FD6000的优势，在54 V输入电压下，该模块在50%的负载（40 A）时效率高达97.2%。

另一个非隔离、非稳压式4:1比率IBC的范例产品是BMR314，它可提供高达1.5 kW 的峰值功率。与BMR313一样，BMR314使用行业标准LGA封装和引脚布局，以确保供货和第二货源的安全性。

图 3：Flex Power Modules推出的BMR314产品

此外，BMR320适用于40 V至60 V输入，并采用8:1固定比率，这意味着产品的输出电压范围为5 V至7.5 V。这使其非常适合需要较低中间总线电压的应用。当这种较低中间总线电压与下游PoL转换器、VRM或诸如BMR510等集成功率级结合使用时，能有助于优化整体系统效率。

每个电源模块都配备PMBus接口，以便监控、配置和控制。该接口与Flex Power's Designer软件无缝集成，让您能够进行更精细的电源系统管理。

结语

与稳压式IBC相比，非稳压式IBC具有更高的效率和成本效益，因此在数据中心应用中越来越受欢迎。

除了前面提到的4:1和8:1输入输出比，能够允许系统设计人员对整体系统效率进行优化的其他比率的需求也被提上了议事日程。例如5:1、6:1甚至10:1等，Flex Power Modules正在通过使用最新拓扑和选择最新元器件进行新产品的开发，同时也采用了新型的热管理技术来实现最高功率密度，以回应这些需求。

在面向AI应用的处理器技术进步的驱动之下，对更强、更高效电源的需求正不断增长。电源设计工程师在努力降低散热成本时，会持续关注高功率密度下的热管理。

幸运的是，Flex Power Modules仍然是IBC电源模块的全球领导者。我们通过持续创新，以可靠、高效的电源解决方案来满足这些不断变化的需求。