48V 数据中心

48V 数据中心解决方案

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 产品采用专利技术,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最先进的功率级产品。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

  • 最简单的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

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
LLCSTC
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

MPC1100-54-高效率、非隔离式、固定比率、300W数字DC / DC电源模块。

MPC1100-54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: MPC1100-54-xxxx

MPC1102-54-高效率、非隔离式、固定比率、500W数字DC / DC电源模块

MPC1102-54是一款开放式数字DC / DC电源模块,可提供高达500W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 7: MPC1102-54-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。

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最佳平衡
    • 内置 ZCD, OCP, NOCP, OTP 和 SCP
    • 最少的外部组件
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

MP2888A

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

MP86956

MP86936

16V,70A Intelli-Phase,采用5mmx6mm封装

16V,60A Intelli-Phase,采用3mmx6mm封装

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

>MP2888A

单回路,10相多相控制器

MP2882

双回路,16相数字多相控制器

(联系我们申请样品)

MP2973

双回路,12相数字多相控制器

(联系我们申请样品)

电源结构 12V传统架构
产品种类产品

Intelli-PhaseTM

MP86956

16V,70A Intelli-Phase,采用5mmx6mm封装

MP86936

16V,60A Intelli-Phase,采用3mmx6mm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

(联系我们申请样品)

MP86976

7V,70A Intelli-Phase,采用3mmx6mm封装

(联系我们申请样品)

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: 92.0%

12V to 0.8V: 92.0%

2V 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%

48V 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%

48V to 0.8V: 91.1%

总效率@600W (包括PDN损耗)

2V 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

MPQ8645P

MP9940B (联系我们申请样品)

MPQ8633A/B

MPQ8626

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

MP5048 (联系我们申请样品)

MP5921

MP5023

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, 1.1 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

MPQ8645P

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

(contact for sample)

MPQ8633A/B

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

MPQ8626

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

MP5048

60V, 15A, 7mΩ 热插拔智能电子保险丝解决方案

(联系我们申请样品)

MP5921

16V, 50A, 1mΩ RDS(ON) 导通电阻热插拔智能电子保险丝解决方案

MP5023

16V, 50A, 1.1 热插拔智能电子保险丝解决方案,具有PMBus接口

文章

使用两级48V配电解决方案提高数据中心的功率密度和效率

采用数字多相控制器为数据中心供电

视频

MPS APEC 2019 - 电信产品演示