半桥式DC-DC转换器方案有效降低数据中心的功耗

为降低功耗,数据中心目前采用基于48V总线电压的新型机架式架构。敬请了解如何通过设计半桥式DC-DC转换器来实现这种48V系统。

简介

为满足日益增长的数据存储需求,业界不断扩大规模和建立新数据中心(图1)。这种扩张最终导致功耗增加,同时也提出了减少功率损耗的要求。

降低数据中心功耗的一个非常有效的方法就是在服务器机架上使用48V总线电压。然而,目前只有通过使用精选的高效MOSFET才能实现这种架构。

图1:数据中心总是需要大量电力,但只要设计得当,48V总线系统就是一种能减少功率损耗的可靠方法。
图1:数据中心总是需要大量电力,但只要设计得当,48V总线系统就是一种能减少功率损耗的可靠方法。

第1章:开放式机架架构如何解决功率损耗问题

T为实现更高的效率,必须解决功率损耗问题。开放计算项目(OCP)提出的开放式机架架构通过使用48V总线而非传统12 V总线,解决功率损失问题。

为了解其工作原理,首先需记住一点:业内使用I2R计算电源线造成的功率损耗;其中,R表示电源线电阻,I表示电源线电流。根据电流与电阻之间的这种简单关系,对于相同级别的电阻,如果电流较低,则功率损耗更少并且效率更高。

对于开放式机架架构,请考虑通过12 V总线与48 V总线为服务器机架提供相同功率时的损耗:通过48 V总线的电流仅为通过12 V总线电流的1/4。因此,假设48 V总线和12 V总线具有相同级别的电阻,则48 V总线的功率损耗将为12 V总线功率损耗的1/16。

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第2章:采用半桥式DC-DC转换器的开放式机架

为摆脱理论的条条框框限制并将开放式机架架构投入实际应用,请考虑半桥式DC-DC转换器,具体如图2所示。这种转换器可有效地将48 V总线电压降至1.2 V,并降低系统的总功耗。

图2:简化的半桥式DC-DC转换器
图2:简化的半桥式DC-DC转换器

半桥式DC-DC转换器上的MOSFET工作造成的各种功率损耗,除开关损耗外,还包括栅极驱动损耗、输出电容损耗、二极管反向恢复损耗和导通损耗。每种功率损耗都会影响DC-DC转换器的效率。
为便于考虑,我们使用配有两个MOSFET的非隔离降压型DC-DC转换器(如图3所示),而非半桥式DC-DC转换器。当考虑半桥式DC-DC转换器的功率损耗时,图3中的高边MOSFET对应于图2中的原边MOSFET(TR1、TR2),图3中的低边MOSFET对应于图2中的副边MOSFET(TR3、TR4)。
图3所示的功率损耗都是在非隔离降压型DC-DC转换器的每个MOSFET上产生的。使用恰当的MOSFET可以大大减少这些损耗。

图3:非隔离降压型DC-DC转换器的损耗来源
图3:非隔离降压型DC-DC转换器的损耗来源

第3章:我们的方法

我们开发了支持48 V总线系统的半桥式DC-DC转换器的参考设计,并研究了在48V总线系统上实现最高效率水平所需的最有效、最实用的功率MOSFET。 
表1显示了半桥式DC-DC转换器的规格,图5显示了该转换器的方框图。 
通过使用恰当的MOSFET,半桥式DC-DC转换器的总效率达到92.8%(Vin=54.5 V,30%负载),电路板尺寸仅为160 mm×100 mm。

图4:支持48 V总线系统的半桥式DC-DC转换器的参考设计
图4:支持48 V总线系统的半桥式DC-DC转换器的参考设计
表 1:图2所示半桥式DC-DC转换器的规格
图5:用于将48V总线电压直接转换为1.2 V的1.2 V/100 A输出隔离式DC-DC转换器的方框图
图5:用于将48V总线电压直接转换为1.2 V的1.2 V/100 A输出隔离式DC-DC转换器的方框图

尽管对原边来说,MOSFET的输入电容越小,开关损耗就越小,但导通损耗的影响同样不容忽视,因为最大负载时平均约有3A电流流过。因此,我们平衡了输入电容值和漏源导通电阻后选择了TPN1200APL。
在副边,内置二极管将在MOSFET导通前运行,从而使导通损耗成为主导因素。因此,我们选用了TPHR6503PL,在我们的30 V MOSFET系列产品中,TPHR6503PL的漏源导通电阻最低,仅为0.41 mΩ。

第4章:关于降低功耗的相关信息

OCP提出的开放式机架架构利用48 V线路降低能耗并提高效率。支持48 V总线系统的半桥式DC-DC转换器是实现高效运行的方法之一。

需慎重选择恰当的MOSFET才能让DC-DC转换器发挥作用。在紧凑型高效DC-DC转换器的参考设计中,我们选用TPN1200APL作为原边MOSFET,并选用TPHR6503PL作为副边MOSFET。

我们提供VDSS介于30 V-250 V之间的优质高效型MOSFET,以及各VDSS等级的各类漏源导通电阻的MOSFET,因此工程师在设计DC-DC转换器时可找到合适的MOSFET。.

参考链接:

产品、方框图、电路板信息、使用说明等更多详细信息,请访问以下链接。

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