48V 数据中心
概述
现代数据中心的每个机架平均提供3kW-5kW的功率，为服务器、存储器和网络机架供电。大部分功率会供给基础CPU，以确保其能高效率工作。因此，传统12V电源架构被广泛采用。
但随着云计算、人工智能应用以及大功率处理器和加速器需求的不断增长，数据中心也在不断发展以适应新的大功率需求。例如，早期AI市场超级计算机的整个电源系统需要3200W的功率。第二代AI的功率需求增长了三倍，使整个电源系统的总功率达到了10kW。由于分配大电流时功率损耗随电流的平方(I2R)增大，必须在背板或走线中使用更多的铜来控制配电损耗。这样最终会限制系统的功率传输。
为了满足行业新的电源需求，MPS开发了一种新型电源架构，它采用48V配电电压，能够将配电损耗降低16倍；另外还提供了48V数据中心解决方案，以应对新的设计挑战。
图1：传统的12V配电方案
MPS 48V电源结构
48V电源结构: MPS新型48V至4.8V系统
图2: 48V电源结构– MPS 4V至6V系统
- 总系统效率得到了极大优化
- 第一级解决方案：MPS LLC电源模块
- 输入输出比10：1
- 提供各种功率等级
- 并联工作
- 第二级解决方案： 数字多相控制器+低压Intelli-PhaseTM解决方案
- 低压 Intelli-PhaseTM 产品采用专有技术，提高了包含效率、功率密度在内的整体产品性能，同时降低了输电网络（PDN）的损耗。
- 低压 Intelli-PhaseTM 器件采用MPS专有封装，可帮助减小整体方案尺寸。
Intelli-PhaseTM 系列产品是MPS先进的功率级产品。MPS’ DrMOS 所采用的的单片工艺极大地改善了产品性能，使其具备了先进的产品特性，如电流采样、温度检测和故障报告功能等。
MPS 48V电源结构：重复利用12V传统系统
图 3: 48V电源结构– MPS 10V至5V系统
- 更简单的48V功率传输解决方案，可重复利用现有12V系统
- 第一级解决方案: MPS LLC电源模块，4：1输入输出比或4：1 STC拓扑
- 第二级解决方案: 数字多相控制器 + Intelli-PhaseTM
- 作为MPS系列产品之一，Intelli-PhaseTM产品可提供高达90A的连续额定电流
- Intelli-PhaseTM 器件采用通用封装或MPS专有封装
- Intelli-模块提供的连续额定电流高达120A
48V至12V功率转换拓扑
48V至12V功率转换的两种常见拓扑为LLC和STC。LLC（电感-电感-电容）是由两个电感和一个电容组成的谐振拓扑。它允许主开关零电流切换，极大地降低了开关损耗并提高了效率。LLC谐振变换器如下图所示。
STC（开关谐振腔电容）是另一种谐振拓扑，它主要使用电容网络将输入电压从48V降至12V输出。STC变换器如下图所示。
图 4: LLC 变换器
图 5: STC变换器
| LLC和STC的比较 | |
|---|---|
| LLC | STC |
| 适用于任何大小的电流/功率应用 | 适用于500W以下的应用 |
|
整体性能： -高功率密度 -低PDN损耗 -采用10：1的电源方案时可实现高效率 |
整体性能 - 较低的功率密度 - 较高的PDN损耗 - 与4：1 LLC方案效率相当 |
| 具有可扩展性和可更换性 | 易于理解的拓扑 |
| 整体解决方案尺寸较小 | 整体解决方案尺寸较大 |
| LLC和STC的比较 |
|---|
| LLC |
| 适用于任何大小的电流/功率应用 |
|
整体性能： -高功率密度 -低PDN损耗 -采用10：1的电源方案时可实现高效率 |
| 具有可扩展性和可更换性 |
| 整体解决方案尺寸较小 |
| STC |
| 适用于500W以下的应用 |
|
整体性能 - 较低的功率密度 - 较高的PDN损耗 - 与4：1 LLC方案效率相当 |
| 易于理解的拓扑 |
| 整体解决方案尺寸较大 |
第一级解决方案：电源模块
MPC1100A-54-高效率、非隔离式、固定比率、300W数字DC / DC电源模块。
MPC1100A-54是一款开放式数字DC / DC电源模块，可提供高达300W的连续功率。其输入电压高达60V，输入输出比配置为10：1。它集成了可多次编程（MTP）的数字控制器，可轻松配置以快速启动系统，并能灵活适应系统需求。
图 6: MPC1100A-54-xxxx
MPC11057-54-0750-高效率、非隔离式、固定比率、750W数字DC / DC电源模块
MPC11057-54-0750是一种开放式数字DC / DC电源模块，可提供高达750W的连续功率。其输入电压高达60V，输入输出比配置为10：1。它集成了可多次编程（MTP）的数字控制器，可轻松配置以快速启动系统，并能灵活适应系统需求。
图 8: MPC11057-54-0750-xxxx
MPC12106-54-0750 -高效率、非隔离式、固定比率、750W数字DC / DC电源模块
MPC12106-54-0750是一种开放式数字DC / DC电源模块，可提供高达750W的连续功率。其输入电压高达60V，输入输出比配置为4：1。它集成了可多次编程（MTP）的数字控制器，可轻松配置以快速启动系统，并能灵活适应系统需求。
| 48V 模块组件 | |||
|---|---|---|---|
| 产品种类 | 产品型号 | 产品描述 | 产品特性 |
| LLC 控制器 |
具有 PMBus/I2C 接口的数字 LLC 控制器 |
智能调光软切换 内置NVM，兼容PMBus协议 电压/温度采样和保护 |
|
|
STC 控制器 |
MP2982 |
具有 PMBus/I2C 接口的数字 STC 控制器 |
智能调光软切换 内置NVM，兼容PMBus协议 电压/温度采样和保护 |
| 同步整流器 |
18V, 50A 双路高电流同步整流器 |
电流和温度采样 采用MPS LLC控制器进行频率跟踪 适用于大多数谐振电路 |
|
|
GaN/MOSFET驱动器 |
半桥GaN/MOSFET驱动器 |
内部自举电路电压钳位 上下管可悬空实现高达 100 VDC 短传播延迟 |
|
| 48V Module Components | |||
|---|---|---|---|
| Type of Product | LLC Controller | ||
| Part Number | |||
| Part Description | Digital LLC Controller with PMBus/I2C Interface |
||
| Features | Smart PWM for soft switching PMbus Compliant with Built-in NVM Voltage/temperature sensing and protection |
||
| Type of Product | STC Controller | ||
| Part Number | MP2982 |
||
| Part Description | Digital STC Controller with PMBus/I2C Interface |
||
| Features |
Smart PWM for soft switching PMbus Compliant with Built-in NVM Voltage/temperature sensing and protection |
||
| Type of Product | Synchronous Rectifiers | ||
| Part Number | |||
| Part Description | 18V, 50A Dual-Channel, High-Current Synchronous Rectifier |
||
| Features | Current sensing and temperature sensing Frequency tracking with MPS LLC controller Suitable for most resonant circuit |
||
| Type of Product | GaN/MOSFET Drivers | ||
| Part Number | |||
| Part Description |
Half Bridge GaN/MOSFET Driver |
||
| Features |
Internal bootstrap supply voltage clamping HS & LS can be floating and operate up to 100VDC Short propagation delay |
||
第二级解决方案：数字多相控制器 + Intelli-PhaseTM
MPS拥有强大的产品组合，用于提供数字多相控制器和Intelli-PhaseTM解决方案。更多相关信息，请访问 服务器和电信相关页面。
图 9: 第二级数字多相控制器 + Intelli-PhaseTM功能框图
- 数字多相控制器特性：
- 专有恒定导通时间（COT）控制模式
- 多回路、灵活相位分配
- 接口选择: SVIC, SVI2/3, OVR, or AVSBus 和 PMBus
- 故障处理和遥测功能
- Intelli-Phase 功能：
- 从10A到90A的系列产品
- 宽开关频率范围: 可实现瞬态与高效率之间的更佳平衡
- 内置 ZCD, OCP, NOCP, OTP 和 SCP
- 更少的外部组件
| 产品信息 | |||
|---|---|---|---|
| 电源结构 | 产品种类 | 产品型号 | 产品描述 |
| 12V传统架构和MPS新型4V至6V架构 | 数字多相控制器 |
MP2882 （联系我们申请样品） MP2973 （联系我们申请样品） |
单回路，10相多相控制器 双回路，16相数字多相控制器 双回路，12相数字多相控制器 |
|
12V传统架构 |
Intelli-PhaseTM Intelli-ModuleTM |
MP87006 (联系我们申请样品) |
16V，70A Intelli-Phase，采用5mmx6mm封装 16V，60A Intelli-Phase，采用3mmx6mm封装 16V，90A Intelli-Phase，采用4mmx6mm封装 16V，120A Intelli-Module，采用9mmx10mm封装(Footprint) 16V，130A Intelli-Module，采用9mmx10mm封装(Footprint) |
| MPS新型4V至6V架构 | Intelli-PhaseTM |
MP86972 （联系我们申请样品） MP86976 （联系我们申请样品） |
12V，60A Intelli-Phase，采用3mmx6mm封装 7V，70A Intelli-Phase，采用3mmx6mm封装 |
| 产品信息 | |
|---|---|
| 电源结构 | 12V传统架构和MPS新型4V至6V架构 |
| 产品种类 | 产品描述 |
| 数字多相控制器 |
单回路，10相多相控制器 MP2882 双回路，16相数字多相控制器 MP2973 双回路，12相数字多相控制器 |
| 电源结构 | 12V传统架构 |
| 产品种类 | 产品 |
|
Intelli-PhaseTM Intelli-ModuleTM |
MP86956 16V，70A Intelli-Phase，采用5mmx6mm封装 MP86936 16V，60A Intelli-Phase，采用3mmx6mm封装 16V, 120A Intelli-Module，采用 9mmx10mm封装 |
| 电源结构 | MPS新型4V至6V架构 |
| 产品种类 | 产品描述 |
| Intelli-PhaseTM |
MP86972 12V，60A Intelli-Phase，采用3mmx6mm封装 MP86976 7V，70A Intelli-Phase，采用3mmx6mm封装 |
MPS 48V数据中心解决方案
- 无论最终方案是：
- 采用48V电源架构完全重新设计，
- 从12V架构迁移到48V电源架构，或是
- 重复利用现有12V传统架构
MPS已开发出全面的产品组合，可以满足业界严苛的电源新需求。我们的48V数据中心解决方案可以解决配电损耗问题，能够在空间受限的环境中保持高功率密度和高效率。下表总结了采用48V电源结构，在不同拓扑中的600W 20相多相电源设计。
| 产品信息 | ||||||||
|---|---|---|---|---|---|---|---|---|
| 电源结构 | 拓扑 | 总方案尺寸(mm2) | 功率密度 (W/in3) | PDN电阻 (µΩ) | PDN损耗 @600W (W) | 第一级效率 @600W | 第二级效率 @600W | 总效率 @600W (包括PDN损耗) |
| 12V传统架构 | 4:1 LLC + 20相5mmx6mm Intelli-PhaseTM |
4240 |
91.3 |
200 |
72 |
48V to 12V: 98.0% |
12V to 0.8V: 92.0% |
48V to 0.8V: 81.4% |
| MPS新型4V至6V架构 | 10:1 LLC+ 20相 3mmx6mm Intelli-PhaseTM |
1972 |
196.3 |
50 |
18 |
48V to 4.8V: 97.4% |
4.8V to 0.8V: 91.1% |
48V to 0.8V: 86.4% |
| 电源结构 | 12V传统架构 | MPS新型4V至6V架构 | ||||||
|---|---|---|---|---|---|---|---|---|
| 拓扑 | 4:1 LLC+ 20-相 5mmx6mm Intelli-PhaseTM | 10:1 LLC+ 20-相 3mmx6mm Intelli-PhaseTM | ||||||
| 总方案尺寸 (mm2) |
4240 |
1972 |
||||||
| 功率密度 (W/in3) |
91.3 |
196.3 |
||||||
| PDN电阻 (µΩ) |
200 |
50 |
||||||
| PDN 损耗 @600W (W) |
72 |
18 |
||||||
| 第一级效率 @600W |
48V to 12V: 92.0% |
48V to 4.8V: 97.4% |
||||||
| 第二级效率 @600W |
12V to 0.8V: 92.0% |
4.8V to 0.8V: 91.1% |
||||||
| 总效率@600W (包括PDN损耗) |
48V to 0.8V: 81.4% |
48V to 0.8V: 86.4% |
||||||
更多用于48V数据中心解决方案的MPS产品
除了为大电流和大功率应用提供服务之外，MPS还提供广泛的产品组合，包括负载点（PoL）降压变换器和智能电子保险丝等保护器件，可满足48V数据中心设计所需的更大范围功率应用。
图 10: 用于48V数据中心设计的MPS电源产品
| 产品信息 | ||
|---|---|---|
| 产品种类 | 产品型号 | 产品描述 |
| 负载点（PoL）降压变换器 |
MP9940B （联系我们申请样品） |
16V，30A，可扩展数字同步降压变换器 ，带 PMBus 接口 15A，SVID数字降压变换器，带PMBus接口，兼容VR13和IMVP8/9协议标准 16V, 12A/20A高效率同步降压变换器，具有可调电流限、可调频率以及电压跟踪功能 16V，6A，高效率同步降压变换器，具有可调电流限 |
| 智能电子保险丝 |
60V, 15A, 7mΩ 热插拔智能电子保险丝解决方案 16V, 50A, 1mΩ RDS(ON) 导通电阻热插拔智能电子保险丝解决方案 16V, 50A, 1.1mΩ 热插拔智能电子保险丝解决方案，具有PMBus接口 |
|
| 产品信息 | ||
|---|---|---|
| 产品种类 | 产品描述 | |
| 负载点（PoL）降压变换器 |
16V，30A，可扩展数字同步降压变换器 ，带 PMBus 接口 MP9940B 15A，SVID数字降压变换器，带PMBus接口，兼容VR13和IMVP8/9协议标准 16V, 12A/20A高效率同步降压变换器，具有可调电流限、可调频率以及电压跟踪功能 16V，6A，高效率同步降压变换器，具有可调电流限 |
|
| 智能电子保险丝 |
60V, 15A, 7mΩ 热插拔智能电子保险丝解决方案 16V, 50A, 1mΩ RDS(ON) 导通电阻热插拔智能电子保险丝解决方案 16V, 50A, 1.1mΩ 热插拔智能电子保险丝解决方案，具有PMBus接口 |
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