一步轉換至核心電壓

作者：ADI 電源管理主題專家 Frederik Dostal

摘要

本文介紹了將高電壓（如48 V或54 V）直接一步轉換至核心電壓（通常低於1 V）的可能性。此種轉換方式不僅能節省空間、提升效率，還能降低與設計輸入電源軌相關的成本。相較於使用12V中間匯流排，承載相同功率時，佈設高壓匯流排所消耗的銅更少。

資料中心數位文書處理器、高階FPGA、更大型的人工智慧(AI)處理器和超級電腦有何共同點？答案是它們都需要電源來提供核心電壓。核心電壓通常低於1 V，電流水準從100 A以下到1 kA及以上不等。

建構大電流、低電壓電源難度很大。為了盡可能減少散熱要求，高轉換效率非常重要。此外，電壓轉換器必須設計精巧，以盡可能減小電源電路和負載（處理器）之間的寄生佈線效應，進而有利於快速回應負載瞬變並更能調節電壓。

圖1為一種常見的電壓轉換器架構，首先將48 V電源電壓轉換為12 V直流鏈路電壓，然後在第二步將其調節至低於1 V的核心電壓。

儘管每一步驟的效率都很高，但兩步驟轉換的總體效率卻較低。由於累積損失，即使每個轉換步驟的效率達到93%，總效率也只有大約87% (0.93 × 0.93 = 0.8649)。

圖2為另一種轉換架構，其採用μModule^® LTP8800-4A，能夠透過一個步驟直接將48 V電壓轉換為0.8 V的核心電壓。當負載電流為100 A時，該解決方案的效率可達90%以上。而且，該模組可提供最高200 A的輸出電流。多個此類元件可以並聯工作，產生1000 A或更大的電流——這對於某些高階處理器非常重要。

專用核心電壓轉換器，例如LTP8800-4A，可以在電流高達200 A時，一步產生0.5 V至1.1 V的核心電壓。常規降壓轉換器電路難以因應極低的工作週期。從48 V轉換為0.5 V時，工作週期通常僅有1%左右，這為電路設計帶來了很大的挑戰。由於開關穩壓器的固有約束（如最短導通時間），在較高開關頻率下難以實現如此低的脈衝寬度比（工作週期），進而導致效率難以達到理想水準。

免去直流鏈路電壓可簡化系統組態，電路只需要一個電源轉換器級便可完成轉換。此種方法不僅節省了空間，而且因為48 V或54 V的高電源電壓被直接送入核心電壓轉換器，還可減少銅需求，進而優化了成本。

圖3展示了採用LTP8800-4A模組的精巧尺寸解決方案。利用μModule元件可以獲得卓越的電源，並避免傳統電路設計的複雜性。最終產生的電路結構精巧，易於整合到鄰近數位負載的電路板上。

現代核心電壓轉換器（例如先前所提到的μModule元件）透過PMbus ^®連接提供先進的數位控制功能，便於即時監控電壓、電流、溫度和故障。內部EEPROM可以儲存各種設定和錯誤日誌。此外，數位連接支援對電源轉換器的控制迴路進行微調。

結論

透過新模組，將使48 V電壓可直接轉換為核心電壓，進而提供結構精巧且效率卓越的電源架構選項。