作者：Karl Audison Cabas，应用工程师
Christian Cruz，资深应用工程师
摘要
将54 V电压转换为合适的12 V电压是一项颇具挑战性的任务，需要新型转换器拓扑来开发改良的高性能电源。此外，为了适应最新的数据中心和超大规模架构，尺寸必须很小，因此1/4砖的小尺寸规格是理想选择。本文将探讨ADI公司的参考设计如何解决效率、功率损耗、散热、通用封装设计等关键问题，从而在同类产品中脱颖而出。另外，还会讨论这些优势对系统应用的积极影响。
简介
在数字信息盛行、社交互动频繁的当今时代，设计精良且运作高效的数据中心显得尤为重要。我们所依赖的网络、存储和全球互联服务都由数据中心来提供。让数据中心保持平稳运行，对于避免数据中断和损坏至关重要。然而，市场对算力的需求不断攀升，数据中心的使用量每年都在快速增长，老旧的数据中心已经不堪重负，快要接近运营负荷的极限。例如，在人工智能(AI)领域，大语言模型的周活跃用户数在不到一年的时间里就翻了一番。相应地，市场对更高功率密度的需求也日益增长，进而需要更稳健和高性能的电源转换器。
为了支持更加强大的服务器、网络设备和存储系统，数据中心不断扩展，电力需求持续上升，从输电线路到机架内部的可用直流电压，涉及多级电源转换。在数据中心内，传统架构通常将整流后的交流电压转换为12 V DC，作为主板内部的主要电源。然而，12 V DC架构效率低下的问题日益凸显，无法满足电路板内的主电源供电需求。若将输入电压提高到48 V，则PCB两端的I2R损耗最多可降为原来的1/16，转换损耗将大幅降低，而且48 V电压仍属于安全特低电压(SELV)。
因此，中间总线转换器是现代数据中心电源架构中的关键器件，它将主电源（如UPS不间断电源）提供的48 V电压总线转换为现有的中间总线电压（5 V、12 V架构）和负载点(POL)稳压器的输入电压。这种电源被称为中间总线转换器(IBC)。IBC有多种功率容量和尺寸，其中一种常见的类型是1/4砖(QB)电源。
1/4砖电源(QB PS)是一种紧凑、高效的DC-DC转换器模块，在现代电源系统中扮演着至关重要的角色。它将高压直流输入转换为相对较低的电压，从而为主板内部的各种外设和核心处理器供电。“1/4砖”是指这种电源的形状小巧，且呈矩形。此类电源通常占用大约58.4 mm × 36.8 mm（2.3英寸× 1.45英寸）的PCB面积，高度通常约为14.5 mm（0.57英寸）。QB PS虽然尺寸小巧，但效率很高，并且可以轻松集成到现有电源系统中。
此类电源广泛应用于数据中心，因其尺寸小和效率高的特点，成为服务器机架、网络交换机、通风系统、整流器和备用电池的理想选择。凭借多功能性和出色的可靠性，QB电源是满足现代电子基础架构电源需求的理想解决方案。QB电源的输入电压范围通常为40 V至60 V，也有一些型号支持其他的输入电压范围。此类电源利用开关技术，高效地将输入电压调节和转换为较低的稳定输出电压，通常为9 V至16 V。输出电压可以根据具体需求而变化。
1/4砖电源的主要特性通常包括：
高效率
此类电源能够使转换效率最大化。转换损耗应低于传统12 V DC架构的I2R损耗。
宽输入电压范围
此类电源可以接受宽范围的输入电压，因而与各种电源兼容。典型的标称输入电压范围在48 VDC至54 VDC之间，扩展范围为40 V DC到60 V DC。
保护机制
此类电源具有过压保护、过流保护、短路保护和热关断等保护特性，可以保护电源和相连设备。
散热管理
高效散热是保障可靠运行的关键。QB电源通常内置散热管理功能，比如利用散热器或集成风扇来调节温度。
远程检测
某些型号支持远程检测，可补偿输出线缆造成的电压降，确保负载获得精确稳定的电压。
PMBus®和高级控制功能
许多QB电源提供高级控制功能，例如电压微调、远程开/关控制、与其他电源模块进行同步等。
可扩展性
QB电源应当易于扩展，即只需对电路进行少量改动就能实现扩展。而且，QB电源可以配置为并联操作以满足不同的功率需求，并且可以处理预偏置启动，以实现热插拔功能。
选择QB电源时，必须考虑多种因素，例如输入/输出电压要求、负载电流、效率、工作温度范围、适用于目标应用的特定行业认证或标准等。而QB参考设计具备了所有这些特性，适合需要稳定高效供电的高要求应用。
QB电源的关键组成部分包括输入滤波器、输出滤波器、一些反馈控制电路以及保护机制，其中保护机制可以包含在控制器或电源管理IC (PMIC)中。参见图1。
图1.ADI1/4砖PSU框图。
QB电源的优势
小尺寸
QB电源的主要优势之一是其外形紧凑，因而在尺寸受限的应用中，它能使空间得到有效利用。
高功率密度
QB电源尽管体积很小，但具有高功率密度，能够提供相当大的功率输出。
效率
随着电源转换技术的进步，QB电源实现了高效率水平，减少了能量浪费，并尽可能降低了发热量。
散热管理
QB电源通常注重散热管理设计，例如采用可加装散热器的扁平基板，以确保在具有挑战性的热环境中实现理想的运行性能和可靠性。
图2.将SS和ISHARE引脚相连，LTC7822 QB电源便可实现并联。
可靠性和耐用性
此类电源的设计符合严格的行业标准，即使在恶劣的工作条件下也能确保长久的可靠性和耐用性。
供应链韧性
不同厂商的QB电源引脚采用通用封装(CFP)，因而相互兼容，由此确保了生产供应链的韧性，出现故障时也便于提供售后支持。
基于LTC7822的QB电源的主要特性
宽输入电压范围
QBM电源通常支持宽输入电压范围，能够与各种电源兼容。
输出电压调节
此类电源提供精确稳定的输出电压调节能力，确保在不同负载条件下保持性能一致。
高功率密度
此类电源的拓扑通过增加一个开关电容部分将输入电压减半，从本质上缩小了电感的尺寸。
可扩展
此类电源的拓扑是一种电流模式电源，将软启动引脚和补偿引脚相连，即可轻松实现并联。这种拓扑降低了并联操作的复杂性。图2显示了各个QB并联的示例。
保护机制
QBM电源集成了过压保护(OVP)、过流保护(OCP)、短路保护(SCP)和热关断等保护特性，能够防范电气故障并防止相连设备受损。
可靠性
由于存在电容分压结构，这种拓扑自身就能够保护任何下一级下游转换器免受直流高电压的影响。即使最顶部的FET失效，也会形成分压结构，以防止下游转换器发生故障。
采用QB拓扑的混合转换器
QB电源是一种DC-DC转换器，可将40 V至60 V的输入电压转换为12 V的稳定输出电压。这种设计利用了一种复杂的架构，结合了软开关电荷泵分压器和同步降压(buck)转换器拓扑。软开关电荷泵会以非常低的转换损耗将输入电压减半，因此降压部分仅需在VIN/2电平（即MID引脚电压）下进行硬开关操作（图3）。通过这种方式，可以实现高效的电源转换，并缩小输出端电感。此方案的代价是须将一个电容用作另一个储能元件，但通过优化额定值和尺寸，混合转换器性能可以超越市面上的大多数常规拓扑。本文将讨论混合转换器作为一种高效拓扑的原因及其工作原理。
图3.飞跨电容和中间电容两端的电压。
对于1/4砖应用，混合转换器在功率传输和功率密度之间取得了良好的平衡。典型的固定比率开关电容在高功率密度和低输出功率水平下非常高效。例如，LTC7820在28 mm × 28 mm PCB面积上进行48 V至24 V转换时，效率高达99%（图4）。然而，这种设计只能支持大约300 W到600 W的输出功率。
要在不降低效率的情况下实现更高的输出功率，需要考虑再并联一个开关电容转换器和更多的陶瓷电容，因而需要更大的PCB面积。这会极大地影响功率密度，并且24 V至12 V DC转换需要第二级电路。为此，我们可以采用另一种开关电容拓扑，利用Dickson转换器来实现单级4:1降压比。此拓扑需要用到额外的开关，但也存在同样的问题，即超过600 W时需要更多陶瓷电容，当应用需要更大输出电流时会影响可扩展性。
图4.采用LTC7820的48 VIN至24 VOUT、20 A开关电容转换器。
稳压混合转换器是更适合1 kW功率级别的拓扑，因为它能在有限的PCB面积下提供更高输出电流。开关电容部分将转换主输入电压线，而不处理大部分电流转换。主输出电流转换由降压部分承担，飞跨电容尺寸和电感尺寸得以减小。对于1/4砖外形，固定尺寸为58.4 mm × 36.8 mm，因而PCB面积至关重要。图5显示了1/4砖尺寸的四相混合转换器的参考元件布置。
LTC7822是一款高性能、两相混合式降压DC-DC控制器，专为高密度电源应用而设计。它所采用的拓扑如图6所示，包含两相，但大大减少了每瓦所需的电容元件数，因为一相的飞跨电容身兼两职：(1) 用作其互补相的电容分压器，(2) 用作其自身相的主储能元件之一。如此一来，每相所需的中间电容数量大大减少。这款器件的单芯片功率输出可达1 kW，大于相同面积下任何典型开关电容拓扑的输出功率。
图5.四相2 kW混合转换器，采用LTC7822以适应1/4砖PCB面积。
图6.CFLY1和CFLY2充当电容分压器。
当奇数FET（M1、M3、M5、M7）导通时，互补FET（M2、M4、M6、M8）关断。在开关切换过程中，CFLY1由输入电压供电，并通过VMID节点与CFLY2串联。这两个飞跨电容应具有相同的容值，以确保平均电压相等，从而降低电荷再分配时电流尖峰造成的损耗。
谨慎选择MOSFET也很重要，务必确保底部FET（M4、M8）在安全工作区域(SoA)内工作。由于两个网状电流通过公共MID节点共享，底部FET所承受的最大电流约为平均相电流的1.5倍。举个例子：L2断电时，电流将流过M5。但是，CFLY2也通过M3向L1提供部分能量，因此其返回路径也将经过M5。电流流向参见图7。
图7. i1 + i2 = i3，i1 = i2M5接收的电流是其相电流的1.5倍。
中间总线转换器中的耦合电感
耦合电感具有整数比转换特性，因此是中间总线应用中与混合转换器配合使用的另一种优秀技术。对于两相耦合电感设计，48 V至12 V转换的占空比为50%，使得降压部分工作在陷波频率下。即使对于更宽的40V至60V（典型）输入电压范围，用耦合电感代替分立电感(DL)仍能获益。图8显示了不同相数的分立电感和耦合电感的归一化电流纹波比较。
图8.对于给定的耦合系数Lm/Lk，归一化电流纹波与占空比的关系。
如图8所示，对于两相耦合电感设计，电流纹波在50%占空比时最小。请注意，在不同占空比下，耦合电感的优势并不相同。相数不同，电流纹波降幅最大化的陷波位置也不同。因此，对于1/4砖设计，考虑输入电压范围和目标输出电压非常重要。例如，降压比为4:1的混合转换器应使用两相设计，以使耦合电感的电流纹波降幅最大化，但降压比为8:1时，由于25%占空比下的陷波，设计人员可能需要考虑使用单个四相耦合电感设计。图9为单个四相耦合电感的示例。
图9.单通道四相耦合电感，与四相混合转换器配合使用时，可实现48 V至6 V转换。
在1/4砖设计中使用耦合电感，最重要的影响在于，能在保持效率的同时，使磁元件的尺寸显著减小。如此一来，混合转换器不仅能够适应1/4砖面积，而且仍能以具有竞争力的效率提供非常高的输出功率。
1/4砖电源应用
QB电源在各行各业都有应用，包括以下领域。
它常用于电信基础设施、数据中心和网络设备，为通信系统和网络交换机供电。
QB电源适用于工业自动化应用，如电机驱动器、机器人和控制系统。
使用基于混合转换器的1/4砖电源，可以实现不同的输出电压降压比。借助ADI公司的分立1/4砖参考设计，可以更轻松地使用多个耦合电感来评估最多两种输出电压电平，或将它们并联起来以测试是否满足更高输出电流要求。图10显示了1/4砖部分。
图10.ADI分立1/4砖参考设计。
结语
面对日益增长的算力需求，尤其是随着人工智能的快速增长，传统数据中心已难以满足需求。为了应对此类挑战，现代数据中心开始采用功率密度更高的新设计，例如48 V架构。与传统的12 V架构相比，新架构的功率损耗显著降低。在这一转变中，起关键作用的器件是中间总线转换器，具体而言就是1/4砖电源。为将高压直流输入转换为各种外设和核心处理器所需的较低电压，此类紧凑、高效的DC-DC转换器必不可少。
QB电源是精简的高性能电源解决方案，适合多种应用。此类电源以紧凑的设计、高能效和出色的可靠性而闻名，拥有优越的功率密度、精准的电压调节能力和先进的保护特性，是众多行业不可或缺的重要器件。QB电源能够尽可能提高空间利用率，确保可靠运行，并满足现代电子基础架构的供电需求。
ADI公司的混合转换器及最新的LTC7822，在为数据中心供电方面具有显著优势，不仅效率高、性能稳健，而且具备先进的控制特性。凭借优化的紧凑外形，并结合耦合电感，LTC7822成为高功率应用领域中颇具竞争力的拓扑方案。增强的可靠性和更低的运行成本，使之成为数据中心实现高效、可靠电源管理的理想之选。
本系列的下一部分将介绍基于LTC7822的1/4砖电源的全面评估，展示收集到的电气和散热性能数据，并讨论如何为高功率应用选择合适的元器件。
参考文献
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作者简介
Karl Audison Cabas自2020年9月起担任ADI公司的应用工程师，专注于电源应用方面的工作。他拥有菲律宾理工大学电子工程学士学位和玛布亚大学电力电子硕士学位。他在DC-DC电源转换器方面拥有4年多的经验。他之前的职责是处理客户问询以及与DC-DC转换器相关的设计问题。他目前担任云和数据中心应用的电源系统应用工程师。
Christian Cruz是ADI菲律宾公司的资深应用开发工程师。他拥有菲律宾马尼拉东方大学的电子工程学士学位。他在模拟和数字设计、固件设计和电力电子领域拥有超过12年的工程经验，包括电源管理IC开发以及AC-DC和DC-DC电源转换。他于2020年加入ADI公司，目前负责支持基于云的计算和系统通信应用的电源管理需求。