一步转换为内核电压

by Frederik Dostal

2024-09-03

摘要

本文介绍了将高电压（如48 V或54 V）直接一步转换为内核电压（通常低于1 V）的可能性。这种转换方式不仅能节省空间、提升效率，还能降低与设计输入电源轨相关的成本。与使用12 V中间总线相比，承载相同功率时，布设高压总线所消耗的铜更少。

数据中心数字处理器、高端FPGA、更大型的人工智能(AI)处理器和超级计算机有何共同点？答案是它们都需要电源来提供内核电压。内核电压通常低于1 V，电流水平从100 A以下到1 kA及以上不等。

构建大电流、低电压电源难度很大。为了尽可能减少散热要求，高转换效率至关重要。此外，电压转换器必须设计紧凑，以尽可能减小电源电路和负载（处理器）之间的寄生走线效应，从而有利于快速响应负载瞬变并更好地调节电压。

图1为一种常见的电压转换器架构，首先将48 V电源电压转换为12 V直流链路电压，然后在第二步将其调节到低于1 V的内核电压。

Figure 1. Voltage conversion architecture from 48 V to 0.8 V core voltage in two steps. — 图1. 分两步从48 V转换为0.8 V内核电压的电压转换架构

尽管每一步的效率都很高，但两步转换的总体效率却较低。由于累积损失，即使每个转换步骤的效率达到93%，总效率也只有大约87% (0.93 × 0.93 = 0.8649)。

Figure 2. Voltage conversion architecture from 48 V to 0.8 V core voltage in one step. — 图2. 一步将48 V转换为0.8 V内核电压的电压转换架构

图2为另一种转换架构，它采用μModule ^® LTP8800-4A，能够通过一个步骤直接将48 V电压转换为0.8 V的内核电压。当负载电流为100 A时，该解决方案的效率可达90%以上。而且，该模块可提供最高200 A的输出电流。多个此类器件可以并联工作，产生1000 A或更大的电流——这对于某些高端处理器至关重要。

专用内核电压转换器，例如LTP8800-4A，可以在电流高达200 A时，一步产生0.5 V至1.1 V的内核电压。常规降压转换器电路难以应对极低的占空比。从48 V转换为0.5 V时，占空比通常仅有1%左右，这给电路设计带来了很大的挑战。由于开关稳压器的固有约束（如最短导通时间），在较高开关频率下难以实现如此低的脉冲宽度比（占空比），从而导致效率难以达到理想水平。

免去直流链路电压可简化系统配置，电路只需要一个电源转换器级便可完成转换。这种方法不仅节省了空间，而且因为48 V或54 V的高电源电压被直接送入内核电压转换器，这还减少了铜需求，从而优化了成本。

Figure 3. Small form factor with an LTP8800-4A module. — 图3. 尺寸小巧，采用LTP8800-4A模块

图3展示了采用LTP8800-4A模块的小尺寸解决方案。利用μModule器件可以获得出色的电源，并避免传统电路设计的复杂性。最终生成的电路结构紧凑，易于集成到邻近数字负载的电路板上。

现代内核电压转换器（例如前面提到的μModule器件）通过PMbus^®连接提供先进的数字控制功能，便于实时监控电压、电流、温度和故障。内部EEPROM可以存储各种设置和错误日志。此外，数字连接支持对电源转换器的控制环路进行微调。

结论

新模块可将48 V电压直接转换为内核电压，从而提供结构紧凑且效率出色的电源架构选项。

关于作者

Frederik Dostal

Frederik Dostal是一名拥有20多年行业经验的电源管理专家。他曾就读于德国埃尔兰根大学微电子学专业并于2001年加入National Semiconductor公司，担任现场应用工程师，帮助客户在项目中实施电源管理解决方案，积累了丰富的经验。在此期间，他还在美国亚利桑那州凤凰城工作了4年，担任应用工程师，负责开关模式电源产品。他于2009年加入ADI公司，先后担任多个产品线和欧洲技术支持职位，具备广泛的设计和应用知识，目前担任电...