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反思后硅世界中的服務(wù)器電源架構(gòu):從48Vin - 1Vout直接獲取

發(fā)布時間:2021-01-19 來源:Alex Lidow,David Reusch,John Glaser 責(zé)任編輯:wenwei

【導(dǎo)讀】人類社會對信息的需求正以前所未有的速度增長。隨著諸如云計算和物聯(lián)網(wǎng)(IoT)這些新興技術(shù)的發(fā)展,更快地接觸更多的信息這一趨勢并未顯示任何放緩跡象。高速率傳輸信息成為可能得益于機架和服務(wù)器機架,它們多數(shù)處于集中式數(shù)據(jù)中心。
 
2014年,數(shù)據(jù)中心(設(shè)在美國)所消耗的能量約為1000億千瓦時(kWh),而國家科學(xué)研究開發(fā)公司(NRDC)預(yù)計到2020年,數(shù)據(jù)中心電力消費量每年將增至約1400億千瓦時,相當(dāng)于50個發(fā)電站的年產(chǎn)量。
 
支持這一快速增長需求所需電力來自我們的電網(wǎng),并經(jīng)過多次轉(zhuǎn)換階段,然后其才真正地將剩余能量饋進數(shù)字半導(dǎo)體芯片。圖1所示為這一“旅程”的圖解。該圖中還顯示由傳輸和電力轉(zhuǎn)換造成的損失 – 從發(fā)電廠到所有工作的計算機芯片。
 
將這些效能數(shù)字相乘顯示,電網(wǎng)需要提供150瓦功率以滿足可能僅需要100瓦的數(shù)字芯片的需求。因此,在整個美國,由于服務(wù)器用電源轉(zhuǎn)換造成的總浪費電量為330億千瓦時,這幾乎相當(dāng)于十幾個發(fā)電廠產(chǎn)出的電量。但是,服務(wù)器場中浪費的總電量更多,因為通過電源轉(zhuǎn)換的每瓦功率損耗實際上是被轉(zhuǎn)換成熱能的能量,而除去該熱能需要更多功率。
 
反思后硅世界中的服務(wù)器電源架構(gòu):從48Vin - 1Vout直接獲取
圖1:現(xiàn)代服務(wù)器場中使用的典型多級功率變換結(jié)構(gòu),它從電網(wǎng)中汲取150瓦的功率,為服務(wù)器中使用的數(shù)字處理器提供100瓦的電能。
 
然而,電網(wǎng)已經(jīng)存在了一個多世紀(jì),基于二戰(zhàn)后開發(fā)的半導(dǎo)體技術(shù)已構(gòu)建轉(zhuǎn)換的各個階段。這些半導(dǎo)體基于硅晶體,正是硅的性能和局限性形成了圖1所示架構(gòu)。
 
在本文中,我們將演示基于增強型氮化鎵(eGaN®技術(shù))的電源轉(zhuǎn)換器的優(yōu)點,其現(xiàn)有數(shù)據(jù)中心和集中于低至1VDC負(fù)載電壓的48 VDC輸入電壓所用的電信架構(gòu)解決方案。我們將探討高性能GaN功率晶體管的能力,以使用新方法以更高效率和更高功率密度為功率數(shù)據(jù)中心和電信系統(tǒng)提供電源。此方法在效率和功率密度方面都比先前的基于Si MOSFET的架構(gòu)更高。
 
從48 VIN– 1 VOUT直接獲取
 
自采用12 V中間總線架構(gòu)(IBA)以來,此總線轉(zhuǎn)換器在輸出功率中正接近數(shù)量級的提高。在型電源模塊足跡中,現(xiàn)行設(shè)計從約100W增至約1千瓦。這意味著至POL轉(zhuǎn)換器的12V總線上的電流量以10的系數(shù)增加,而且不用降低總線電阻,隨后的總線傳導(dǎo)損耗中會以2的數(shù)量級增加。相比傳統(tǒng)的IBA系統(tǒng)中的硅基解決方案,GaN基技術(shù)的解決方案已證明其效率顯著提高。
 
然而,隨著48 VIN總線轉(zhuǎn)換器的轉(zhuǎn)換損耗不斷增加,主板上不斷攀升的12V總線損及GaN技術(shù)更高的性能,現(xiàn)可考慮不同的體系結(jié)構(gòu),如使用非隔離型POL轉(zhuǎn)換器從48 VIN直接進入負(fù)載,如圖2底部所示。
 
反思后硅世界中的服務(wù)器電源架構(gòu):從48Vin - 1Vout直接獲取
圖2:中間總線架構(gòu)(IBA)和直接轉(zhuǎn)換DC總線結(jié)構(gòu)。
 
傳統(tǒng)型降壓轉(zhuǎn)換器可作為第一種方法來評估將48 VIN直接轉(zhuǎn)換為1 VOUT。降壓轉(zhuǎn)換器的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)最簡單,而且是絕大多數(shù)現(xiàn)有12 VIN系統(tǒng)采用的做法。對于48 V輸入,在EPC9041演示板中嵌入的80V eGaN單片式半橋集成電路(EPC2105)可選定用于具有更高降壓比的應(yīng)用。TI采用的第二種方法是將48 VIN直接轉(zhuǎn)換到1 VOUT,其采用基于變壓器的設(shè)計來提高轉(zhuǎn)換器效率。一個基于LMG5200 GaN的半橋被用于48 VIN輸入側(cè),而四個30 V EPC2023 eGaN FET被用于低電壓輸出側(cè)。
 
兩種48 VIN至1 VOUT設(shè)計的高效率和功率密度如圖3所示。降壓轉(zhuǎn)換器的效率是整個動力傳動系的效率,包括電感器(Würth Elektronik 744 301 033)、電容器和印刷電路板損失。在300kHz的開關(guān)頻率條件下,可實現(xiàn)84%的最高效率,而在20 A條件下,實現(xiàn)的效率約為83.5%。降壓構(gòu)件(不包括控制器)的功率密度約為300 W/in3。對于600 kHz條件下操作的基于變壓器的方法,可實現(xiàn)超過90%的效率,而在50 A輸出電流條件下,可實現(xiàn)近88%的效率。對于基于變壓器的構(gòu)件(不包括控制器),功率密度為約80 W/in3。
 
反思后硅世界中的服務(wù)器電源架構(gòu):從48Vin - 1Vout直接獲取
圖3:基于eGaN POL轉(zhuǎn)換器的效率和功率密度,VIN = 48 V至VOUT = 1V。
 
使用圖4所示的基于GaN技術(shù)的最佳設(shè)計,對比單級48 VIN至1 VOUT的POL轉(zhuǎn)換器和傳統(tǒng)兩級IBA法的預(yù)計效率和功率密度,并在表1總結(jié)(硅基解決方案遠(yuǎn)不及這些基于GaN技術(shù)的解決方案有效)。基于GaN集成電路的IBA電源轉(zhuǎn)換器比基于降壓的方法的48 VIN?1 VOUT直接轉(zhuǎn)換預(yù)計會有1.5%的效率提升。然而,當(dāng)12V總線的損失增加約2%時,總體系統(tǒng)效率極其相似。傳統(tǒng)IBA法和48 VIN直接轉(zhuǎn)換基于降壓的方法也有類似的功率密度。對于48 VIN基于變壓器的方法,系統(tǒng)效率比傳統(tǒng)IBA法高出7%,該系統(tǒng)具有低功率密度,比常規(guī)IBA基于GaN的方法低約三分之一。
 
DC總線架構(gòu)還具有潛在的成本優(yōu)勢,因為IBC的成本可省去。而48 VIN POL轉(zhuǎn)換器與12 VIN POL轉(zhuǎn)換器相比,增加的成本將降至最低,因為它們使用的電源裝置、控制器和驅(qū)動程序的數(shù)量類似。
 
反思后硅世界中的服務(wù)器電源架構(gòu):從48Vin - 1Vout直接獲取
圖4:基于GaN技術(shù)的48 VIN中間總線架構(gòu)和48 VIN DC總線架構(gòu)的性能對比
 
反思后硅世界中的服務(wù)器電源架構(gòu):從48Vin - 1Vout直接獲取
(a) 縮放到500瓦的輸出功率。
 
表1:48 VIN中間總線架構(gòu)和48 VIN DC總線架構(gòu)的性能對比總結(jié)
 
圖5中,我們在基于eGaN FET和集成電路的設(shè)計中應(yīng)用單級效率的同時需要重新查看圖1內(nèi)容。通過省去服務(wù)器場電源架構(gòu)末級所獲得的直接節(jié)省電能不僅降低了成本,而且還降低7%到15%不等的功耗,這取決于基于GaN的方法。與硅基解決方案對比時,這關(guān)聯(lián)到每年直接節(jié)約的多達210億千瓦時的電能。當(dāng)服務(wù)器場中的空調(diào)能源成本增加時,還可節(jié)約更多電能,僅在美國可將總節(jié)約電能降至服務(wù)器所耗1400億千瓦時的近25%。
 
結(jié)論
 
當(dāng)今美國服務(wù)器場中可能的節(jié)省電能所造成的影響甚至比后硅世界中eGaN技術(shù)的影響更大,而此影響的一個示例是這一新興技術(shù)可有效使用電力。eGaN技術(shù)為更高性能的半導(dǎo)體提供了一個途徑,重新開啟了推動創(chuàng)新的摩爾定律的可能性——就像摩爾定律超出常規(guī)一樣。例如,eGaN技術(shù)實現(xiàn)了許多新應(yīng)用,如無線電力傳輸、5G蜂窩技術(shù)、自主車輛和結(jié)腸鏡檢查丸劑。而且,隨著電子行業(yè)在固有屬性中獲得的高性能功能能力的經(jīng)驗和知識,由此產(chǎn)生的高性能eGaN半導(dǎo)體設(shè)備將實現(xiàn)很多不可預(yù)見的應(yīng)用,就像二戰(zhàn)后時代帶來的此應(yīng)用的前身——硅。
 
eGaN®FET是Efficient Power Conversion公司的注冊商標(biāo)。
 
一般參考
 
[1] D. REUSCH和J.Glaser,DC-DC轉(zhuǎn)換器手冊,電源轉(zhuǎn)換出版物,2015年,ISBN 978-0-9966492-0-9
 
 
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