【導讀】隨著48 V架構的出現，1/4磚電源成為數據中心應用中的一個關鍵組成部分。電源必須在效率和瞬態響應方面表現出色，同時仍保持1/4磚的尺寸規格。在嚴格的尺寸限制下，基于混合轉換器的1/4磚電源能夠同時滿足高效率和瞬態響應的要求，并提供高達2 kW的輸出功率。4相混合轉換器集成了一個雙2相耦合電感，在降壓部分使用2:1的降壓比，從而顯著降低了電流紋波，進一步提升了性能。參考設計在48 V輸入下的峰值效率為98.59%，在54 V輸入下的滿載效率為97.68%。
引言
隨著處理器核心的性能提升，加上數據中心越來越多地使用人工智能(AI)芯片，下一代計算機對電力的需求遠超以往，而且需要保持外形尺寸不變，以確保遷移工作的前期成本最小化。為此，亟需性能更好但尺寸不變的電源來為下一代芯片提供所需的電力。因此，使用標準化的1/4磚電源對系統設計十分有利。1/4磚電源具有開箱即用的特性，并且不同供應商的產品能夠相互兼容，因此使用這種電源可以降低系統設計的復雜性。
然而，并非所有1/4磚電源的拓撲和性能都相同，因此工程師應根據具體要求謹慎選擇。采用1/4磚電源進行設計時，工程師需要考慮的一些關鍵參數包括：工作輸入電壓、輸出電壓調節、峰值效率、滿載效率、瞬態性能、熱性能、可擴展性等。
本文將介紹采用4相混合轉換器LTC7822設計的分立式1/4磚電源及其性能，并探討如何以高效率滿足更高的輸出功率需求。
數據與結果
以下測試結果包括啟動時的測量數據、穩態性能測量數據、工作性能波形和溫度測量數據。下列配置采用1/4磚參考設計及其系統板進行了測試。系統板配有熱插拔電路。
1/4磚電源的工作設置
輸入電壓：40 V至60 V
輸出電壓：12 V
輸出負載：0 A至166.67 A
開關頻率：150 kHz
性能數據
效率與功率損耗
1/4磚參考設計采用雙2相混合轉換器LTC7822，可以實現負載分配，降低每相電流，從而減少導通損耗，成為高功率、高降壓比應用的理想選擇。LTC7822混合轉換器展現出優異的效率，有效減少了功率損耗，進而降低了散熱需求。
在48 V和54 V輸入條件下，測試了這種1/4磚電源的效率，效率曲線如圖1所示。輸入電壓較低時，由于電壓降幅較低，因此峰值效率更高。然而，當輸出功率提高時，由于輸入電流增大，效率會逐漸下降。而在54 V下，峰值效率較低，但滿載效率更高。
圖1.ADI的1/4磚設計在48 V和54 V下的效率及功率損耗曲線
在1/4磚PCB面積上，轉換器在48 V、800 W時達到約98.59%的峰值效率，滿載效率為97.33%。對于54 V應用，轉換器在1000 W時達到98.45%的峰值效率，滿載效率為97.68%。
采用的同步整流技術減少了二極管導通損耗，進一步優化了效率。控制器通過使用高質量、低等效串聯電阻(ESR)的輸入和輸出電容器，再配合適當選擇的耦合電感，有效降低了關鍵元件的損耗。精心挑選的元件和周全的設計考量，使整體功率損耗得以降低，混合轉換器因此成為降壓型應用的高效解決方案。
此外，混合轉換器的開關頻率可以靈活調整，設計人員可以根據具體應用要求，在效率和開關損耗之間找到平衡點。再結合適當的布局設計、有效的熱管理和控制環路參數的優化，就能打造出可靠高效的電源。總之，LTC7822憑借雙相架構、同步整流和靈活性脫穎而出，在眾多降壓轉換器應用中都能展現出優異的效率和更低的功率損耗。
瞬態響應：擴展供電功率
LTC7822混合轉換器非常適合用來滿足中間總線應用的動態供電需求。創新的4相架構能夠有效分配負載，降低負載意外變化的影響。從而提升了控制器的能力，能夠快速有效地適應功率需求變化，確保在瞬態事件期間輸出電壓保持恒定。雙2相的交錯操作支持對突發負載波動做出快速響應，在需要快速調整電源的情況下至關重要。
LTC7822能夠在有限的時間內提供擴展功率，以支持突發負載需求，同時輸出電壓保持穩定。我們對這個額定功率2 kW的設計進行了測試。圖2所示為以1.5倍擴展功率供電50 ms的情形，圖3所示為以1.8倍擴展功率供電500 μs的情形。
圖2.2 kW擴展到3 kW階躍負載，持續50 ms
圖3.2 kW擴展到3.6 kW階躍負載，持續500 μs
通過調整2型補償，可以進一步優化混合轉換器的瞬態響應，實現精密調節和輸出電壓偏差的最小化。
圖4.48 VIN、滿載(POUT = 2 kW)下的1/4磚電源熱性能
熱性能
這種參考設計的熱性能對于整體性能的發揮至關重要。適當的熱管理能夠確保器件可靠運行，防止過熱，從而避免性能降低和電子元件壽命縮短。圖4所示為在沒有使用散熱器和底板的情況下的熱特性。
為了增強混合轉換器的熱性能，可以采用高效的散熱器，確保熱量有效散發，同時保證器件周圍空氣流通順暢。數據手冊通常會提供有關如何適當設計散熱器的建議，包括熱阻和最大允許結溫等詳細信息。設計人員可以遵循這些指導原則，防止關鍵器件（控制器、FET）的溫度超過限值，確保系統可靠持續地運行。此外，混合轉換器可能具有過溫保護等特性，以保護器件免受過熱問題的影響。這種保護機制可以在溫度過高的情況下自動關閉控制器或降低輸出功率，防止器件和周圍元件受損。
啟動響應
混合控制器具備可控的啟動響應，保證運行的可靠性和穩定性。它采用兩段式軟啟動：飛跨電容預充電階段和輸出軟啟動階段。這樣可以利用主電源的低輸入沖擊電流為飛跨電容充電，而輸出電壓也會在初始上電期間逐漸上升。這種設計避免了飛跨電容的沖擊電流和電壓過沖，增強了系統的可靠性，并保護下游元件免受損壞。控制器還具備故障監測機制，能夠檢測啟動期間的異常情況，觸發適當的響應來避免潛在問題。圖5顯示了在開啟降壓部分之前如何對飛跨電容進行預充電。
圖5.混合轉換器在空載條件下啟動
在啟動過程中，混合轉換器謹慎地逐步提高輸出電壓，確保平穩過渡到工作模式。對于電壓的驟變可能會對所連接元件造成影響的應用而言，這種受控啟動方式至關重要。控制器能夠處理各種情況下的啟動過程，支持廣泛的輸入電壓和負載場景。ADI公司的1/4磚參考設計還集成了熱插拔控制器LTC4287，以確保輸入電壓平穩升降。
圖6.1/4磚電源在空載條件下啟動
輸出紋波
輸出紋波是指電源輸出電壓的波動或變化。為了實現低輸出紋波，控制器采用了交錯雙相架構，并結合了耦合電感，開關相位之間略微錯相，從而有效降低了輸出電壓紋波，使得輸出電壓更干凈、更穩定。參見圖7。
混合轉換器的輸出紋波性能受多種因素影響，包括輸入和輸出電容器的質量、電感的選擇及整體的布局設計。通過采用高質量、低ESR的電容器并選擇適當的電感，設計人員可以進一步降低輸出紋波。數據手冊通常會提供有關如何選擇合適的電容器以優化輸出紋波性能的指南和建議。在要求保證低輸出電壓紋波的應用中，多相設計和特性有助于維持平穩且精準調節的輸出，對于需要穩定電壓以確保正常運行的敏感電子元件或系統尤其有利。
圖7.輸入電壓紋波和輸出電壓紋波
輸入和輸出電壓的紋波數據也依賴于測量設置，建議在最近的陶瓷電容器處使用短探頭來采集穩態下的真實紋波性能。
結論
1/4磚電源是精簡的高性能電源解決方案，適合多種應用。此類電源以緊湊的設計、高能效和出色的可靠性而聞名，擁有優越的功率密度、精準的電壓調節能力和先進的保護特性，是眾多行業不可或缺的重要器件。
ADI公司最新的混合轉換器LTC7822在為數據中心供電方面具有顯著優勢，不僅效率高、性能穩健，而且具備先進的控制特性。它能夠優化供電、增強可靠性并降低運行成本，因而成為數據中心實現高效、可靠電源管理的理想之選。
參考文獻
Christian Cruz，“48 V技術的魅力：系統級應用中的重要性、優勢與關鍵要素”，模擬對話，第58卷，2024年7月。
Bruce Haug，“72 V混合式DC-DC轉換器使中間總線轉換器的尺寸減小達50%”，《模擬對話》，第52卷，2018年2月。
Alexandr Ikiriannikov、Laszlo Lipcsei，“大幅提高48 V至12 V調節第一級的效率”，ADI公司，2023年10月。
“The Benefits of the Coupled Inductor Technology”，Maxim Integrated，2015年3月。
作者簡介
Karl Audison Cabas自2020年9月起擔任ADI公司的應用工程師，專注于電源應用方面的工作。他擁有菲律賓理工大學電子工程學士學位和瑪布亞大學電力電子碩士學位。他在DC-DC電源轉換器方面擁有4年多的經驗。他之前的職責是處理客戶問詢以及與DC-DC轉換器相關的設計問題。他目前擔任云和數據中心應用的電源系統應用工程師。
Ralph Clarenz Matoci?os畢業于菲律賓馬尼拉Pamantasan ng Lungsod ng Maynila (PLM)，獲電子工程學士學位。他在電力電子領域擁有一年多的工程經驗，包括電池管理系統開發和DC-DC電源轉換。他于2022年加入ADI，目前擔任云和數據中心應用的電源系統應用工程師。
Christian Cruz是ADI菲律賓公司的資深應用開發工程師。他擁有菲律賓馬尼拉東方大學的電子工程學士學位。他在模擬和數字設計、固件設計和電力電子領域擁有超過12年的工程經驗，包括電源管理IC開發以及AC-DC和DC-DC電源轉換。他于2020年加入ADI公司，目前負責支持基于云的計算和系統通信應用的電源管理需求。
