電源設計中的挑戰

隨著數據中心的供電需求不斷攀升，尤其是那些致力于滿足于AI算力需求的數據中心，電源系統不僅必須要持續提供更高的效率，還要提供更高的功率密度。

數據中心的電源架構一直在不斷發展，以應對供電需求的增長和負載要求的變化。過去，每個機架都有其單獨的AC/DC轉換器，導致布線笨重且成本高昂。如今，中間總線轉換器（IBC）簡化了這一流程，使用大容量AC/DC轉換器支持整臺機柜，通常以48 V或54 V的安全電壓提供直流電，以將歐姆（I2R）損耗最小化并維持可接受的電流水平。

在每個刀片中，IBC將48 V輸入轉換為中間總線電壓（通常為12 V），然后通過負載點（PoL）轉換器或最近常用到的電壓調節器模塊（VRM），在通常需要的較高電流下實現各種電路板和芯片所需的精確電壓。傳統上，IBC必須與電信應用中使用的36 V至75 V電壓范圍兼容，但由于數據中心環境不再使用備用電池（更多情況下使用不間斷電源），IBC的輸入電壓可以優化到40 V至60 V或甚至更小的范圍。

采用基于IBC的系統有著許多優勢，包括更高效、布線成本更低、功率密度更高等。然而，引入額外的轉換級意味著效率優勢變得最為重要。

揭秘選擇非穩壓式IBC的真相

Flex Power Modules研發了不同類型的IBC，如非穩壓式、穩壓式和創新的混合調節比（HRR）等可選產品。設計人員必須評估成本、效率和特定系統需求等因素，以選擇最合適的方案。

非穩壓式IBC具有固定的轉換率，例如4:1（即48 V輸入轉換為12 V輸出），這使得它們能夠實現最高的效率、最低的成本和最小的尺寸。然而，它們的輸出電壓與輸入電壓成正比，這意味著PoL轉換器必須能夠處理潛在的較大電壓變化。

另一方面，穩壓式IBC使用反饋或前饋環路以在更小的容差范圍內控制輸出電壓，但這意味著這類IBC的效率低于非穩壓式IBC。盡管如此，保持較小的輸出電壓范圍可以顯著提高PoL轉換器的效率。

圖 1：DC/DC轉換器架構

HRR型號融合了兩種方式，在切換到完全調節之前，在設定輸入電壓之內提供比例調節，結合兩種系統的最佳特性，以適用于更多應用。

圖 2：混合調節比（HRR）的運作方式

克服IBC設計中的挑戰

在這些不同的方案中，要實現高效、可靠的IBC設計，必須解決多個技術挑戰。

啟動動態：初始功率應用可能會產生紋波電流峰值，存在損壞元器件或觸發過流保護的可能性。調節開關頻率或使用更大的輸出電感器可以緩解這種情況。

同步整流：使用MOSFET代替二極管進行整流，壓降較低，這種方法提高了效率。但是，它也帶來了復雜性，尤其是考慮到轉換器驅動時序這一因素。

反向能量管理：MOSFET可以雙向傳導電流，在突然關機時會帶來風險。適當的控制策略，包括及時停用MOSFET等，對于防止不必要的反向電流至關重要。

許多工程師更傾向選擇從制造商那里采購功能完善的IBC模塊，它們既能應對以上的挑戰，同時又最大限度地提升性能與效率。

將理論化為實踐

Flex Power Modules推出了多個非隔離非穩壓式IBC的解決方案，如BMR313，BMR314和BMR320等。

BMR313適用于狹窄空間，以細微之身（23.4 x 17.8 x 7.65 毫米）提供3 kW峰值功率，以4:1輸入輸出比實現驚人的908 W/cm3功率密度。BMR313巧用了安森美最新一代中間總線數字控制器FD6000的優勢，在54 V輸入電壓下，該模塊在50%的負載（40 A）時效率高達97.2%。

另一個非隔離、非穩壓式4:1比率IBC的范例產品是BMR314，它可提供高達1.5 kW 的峰值功率。與BMR313一樣，BMR314使用行業標準LGA封裝和引腳布局，以確保供貨和第二貨源的安全性。

圖 3：Flex Power Modules推出的BMR314產品

此外，BMR320適用于40 V至60 V輸入，并采用8:1固定比率，這意味著產品的輸出電壓范圍為5 V至7.5 V。這使其非常適合需要較低中間總線電壓的應用。當這種較低中間總線電壓與下游PoL轉換器、VRM或諸如BMR510等集成功率級結合使用時，能有助于優化整體系統效率。

每個電源模塊都配備PMBus接口，以便監控、配置和控制。該接口與Flex Power's Designer軟件無縫集成，讓您能夠進行更精細的電源系統管理。

結語

與穩壓式IBC相比，非穩壓式IBC具有更高的效率和成本效益，因此在數據中心應用中越來越受歡迎。

除了前面提到的4:1和8:1輸入輸出比，能夠允許系統設計人員對整體系統效率進行優化的其他比率的需求也被提上了議事日程。例如5:1、6:1甚至10:1等，Flex Power Modules正在通過使用最新拓撲和選擇最新元器件進行新產品的開發，同時也采用了新型的熱管理技術來實現最高功率密度，以回應這些需求。

在面向AI應用的處理器技術進步的驅動之下，對更強、更高效電源的需求正不斷增長。電源設計工程師在努力降低散熱成本時，會持續關注高功率密度下的熱管理。

幸運的是，Flex Power Modules仍然是IBC電源模塊的全球領導者。我們通過持續創新，以可靠、高效的電源解決方案來滿足這些不斷變化的需求。