12V不够用了，数据中心48V电源架构正在走向台前！
高性能计算（HPC）的进步推动了计算密集型应用的创新，比如5G通信、航天发射、自动驾驶汽车等。与此同时，数据中心的能耗也在持续增加。
这其中的大部分功率主要供给基础CPU，以确保其能高效率的工作。例如，1U AMD Opteron或Intel Xeon服务器的功耗大约为300~400kW。一个机架上如果有24台这样的服务器，总功率将在7.2kW到9.6kW之间。而刀片服务器的部署更是加剧了这一问题。以Dell PowerEdge为例，42U机柜可容纳60个刀片服务器（每个7U托盘有10个刀片服务器），每个托盘的功率总计达到惊人的5.066kW，每个机架合计30.4kW。
就数据中心而言，人工智能（AI）、机器学习和深度学习的加入使机架功率迅速飙升了两倍，达到20千瓦范围；超级计算机服务器机架现在接近100千瓦或更高。随着计算环境越来越密集，数据中心的电源管理变得越来越重要。
为什么需要48V电源架构？
当前，为数据中心提供电力的配电网（PDN）广泛采用的是传统的12V电源架构。如今的AI加速模块的功率水平早已超过750W，电流更是高达1,000A（在0.75V内核电压下）。当单个主板上有多达8个此类模块时，其额定功率和热管理工作将会十分惊人。在功率损耗和热管理方面，通常有两种方法可以改善PDN对电力系统性能的影响：
选项一
使用更大尺寸的电缆、连接器和更厚的主板电源板以降低PDN电阻；
选项二
提高PDN电压以降低给定功率传输的电流，这样可以降低电缆、连接器、主板铜平面尺寸及其相关的尺寸、成本和重量。
多年来，工程师们一直使用“选项一”来兼容几十年来建立的单相交流和12V直流-直流（DC-DC）转换器和调节器的大型生态系统。然而，将增加的功率分配给多个服务器处理会造成更大的功率损失，因此，近年来现代电力设计越来越多地开始使用“选项二”，即采用更高的PDN电压来降低功率损耗。为此，谷歌在2016年的OCP峰会上提出了48V机架电源架构，用以取代当时普遍应用的12V。
相比12V电源架构，采用48V直流馈电的优势非常明显。当48V直流电源被施加到每个计算主板电源的输入端后，在传输12kW功率时，12V 1,000A此时就相当于48V 250A，流经电源母线的电流仅为原来的1/4。从配电功率损耗（P＝I2R）的角度来看，二者也有很大的差异。假设分配路径的电阻为0.1mΩ，12V的分配损耗为100W，但在48V的情况下，损耗为6.25W，这里有16倍的差值。也就是说，相对12V的配电方案，48V方案可将总功率损耗降低16倍，整个系统的转换效率提升30%。
图1：12V和48V直流供电二者配电损耗比较（图源：Panasonic）
图1比较形象地说明了12V和48V电源架构的差异。从中我们可以看出，当每个机架的功率超过10kW时，传统的12V DC馈电产生的功率分配损耗被认为达到了不可容忍的地步，而48V DC馈电的情况要好得多，非常有助于数据中心的功率节省。
数据中心电源产品的选择
目前，正在运行的数据中心PDN很大一部分是针对从12V母线轨至Vcore的单级转换进行设计和优化的。采用全新的48V配电架构虽然能显著降低I2R带来的损耗，但工程师的系统设计工作却有着诸多挑战。下面是几个性能好，且简单、易入手的设计方案和产品。
Vicor 48V电源架构生态系统
随着处理复杂AI功能的ASIC和GPU的出现，处理器的功耗急剧增加。而电力传输和能效正在成为大规模计算系统中的核心关注点。为此，Vicor公司准备了系列化的产品组合，以实现交流或高压配电和48V直接到负载转换的高效解决方案，其中涉及的产品均具有高密度、高效率和高性价比，满足大型计算系统中CPU、GPU或ASIC的功率需求。
针对前端解决方案，Vicor的母线转换器模块（BCM）可将HVDC转换为隔离式SELV输出，以此实现48V配电，并提供集成PMBus控制、EMI滤波和瞬态保护。在封装上，BCM有ChiP或Vicor集成适配器（VIA）两种规格，可简化冷却系统的设计。
现在，这个系列有73款BCM产品可供选择，从800V扩展到48V输入，具有各种K因数。以BCM6123TD1E5135T01为例，这是一款高效的母线转换器，在260至410VDC的母线上运行，提供32.5至51.3VDC的隔离二次电压。产品具有低噪声、快速瞬态响应以及出色的效率和功率密度，同时顶部和底部的热阻抗也非常低。
图2：Vicor公司BCM6123高效母线转换产品（图源：Vicor）
针对处理器供电方案，Vicor提出了“最后一英寸”供电方案，它采用的合封电源技术克服了为高功率处理器进行大电流传输造成的障碍，可提供更高的峰值以及超过1000A的平均电流，同时将主板铜箔连接电阻和处理器连接电阻锐减50倍。它还用分比式电源架构（FPA）取代了传统多相位稳压器，有效提高了电源功率密度和传输效率。
合封电源技术中的横向供电（LPD）方案将模块化电流倍增器（MCM）布置在基板上，不仅降低了PDN损耗，还能减少电源所需的处理器基板BGA引脚。在48V AI系统应用中，Vicor的LPD占据了很高的市场份额。对于有极高电流需求的处理器，Vicor的合封电源垂直供电（VPD）方案将MCM直接部署在处理器下方，相比LPD，PDN电阻还能再降10倍。
开放式计算项目（OCP）联盟不仅为分布式48V服务器背板架构带来了开放式机架标准V2.2，还为AI开放式加速器模块(OAM)带来了48V标准工作电压，这些标准要求48V至12V与12V至48V要能够兼容。为了实现12V与48V的混合方案，Vicor准备了NBM2317双向转换解决方案，该转换器可实现双向的48V/12V高效转换。
在降压工作模式下使用K:1/4，而在升压模式下则使用K:4/1，两个方向均提供效率相同的处理能力。无论是将传统板集成到48V基础设施中，或将新推出的GPU集成到传统12V机架中，都可以利用NBM2317轻松完成，增加了云数据中心提供商在方案部署上的灵活性。
图3：48V/12V双向转换器NBM2317（图源：Vicor）
英飞凌48V供电IBC解决方案
在新兴的48V电力转换生态系统中，英飞凌为数据中心和AI应用提供了全套解决方案，并以较高的功率密度实现从48V到负载点的高效转换。针对48V供电架构，英飞凌推出了全新的中间总线转换器（IBC）解决方案，即所谓的混合开关电容（HSC）和零电压开关型开关电容（ZSC）。
图4：英飞凌48V中间总线转换器解决方案（图源：英飞凌）
英飞凌方案中的HSC由6个MOSFET组成（Q1~Q6），分为两条支路并通过两个飞跨电容和一个称为多抽头自耦变压器（MTA）的磁性器件连接。其中，MTA由4个绕组串联而成，共用同一磁芯。借助其励磁电感，零电压开关（ZVS）操作得以实现高频运行。
图5：混合开关电容（HSC）内部结构（图源：英飞凌）
HSC具备较高的功率密度和效率，关键因素是采用了品质因数出色的低额定电压MOSFET。例如，在8:1配置中，电压轨为48V的HSC可在Q3和Q6上使用额定电压为25V的MOSFET。IQE006NE2LM5就是一款OptiMOS 25V低压功率MOSFET，它采用PQFN3.3x3.3封装，易于PCB布线，全新的源极底置封装将当前标准RDS(on)降低了约30%。
图6：采用PQFN3.3x3.3封装的OptiMOS 25V低压功率MOSFET（图源：英飞凌）
针对ZSC拓扑，英飞凌推出了48V（或54V）输入系统两级架构，主要用于高性能处理器（CPU、GPU、SoC、ASIC等）供电。该架构可在不影响性能的前提下，面向不同功率水平进行灵活实施和扩展。英飞凌专有的零电压开关型ZSC通过功率器件的软开关操作实现了电容式能量传输，显著提高了48V至中间总线电压的效率和功率密度。ZSC可轻松实现“向下兼容”或“模块化”设计。ZSC的双向能量传输能力为电源设计人员带来了极高的灵活度，传统的12V系统可以轻松、安全地过渡到48V设施。ZSC拓扑涉及的主要产品有：OptiMOS 5/6功率MOSFET、EiceDRIVER栅极驱动器以及XMC系列微控制器等。
本文小结
人工智能和云应用正在推动先进硬件的采用，包括微处理器、GPU、FPGA和需要更高功率级别的ASIC。包括英特尔的“Sky Lake”和AMD的“Rome”在内的高级处理器在性能提升的同时，功耗也升至230-300W，英伟达的GPU功耗更将攀升到600W左右。
在数据中心的发展过程中，一个十分严峻的问题就是能耗的不断增加。据统计，目前运营数据中心的能源已经占到全球电力消耗的3%还多。仅以企业级数据中心为例，它每年消耗大约100兆瓦的电力，相当于大约8万户家庭的能源需求。可以说，电力成本已成数据中心主要的运营支出。因此，很大限度地提高电源效率是数据中心建设的当务之急。
OCP试图通过定义电源架构的新标准来应对此类挑战，具体步骤就是将中间总线电压从传统的12V提高至48V。这一举措可显著降低传输损耗，将电力更有效地传输到有效负载，比如AI ASIC/GPU/CPU或SOC上。当然，转换效率只是决定数据中心电力使用方式的一个要素，其他有利于48V而不是12V的因素还包括，相同功率水平下电流消耗减少4倍，配电损耗降低16倍。这些进步意味着系统将拥有更好的热性能，因此也同步降低了数据中心的冷却要求，同时还有减少电源母线尺寸等好处。
2021年底的数据显示，全球约有15%的数据中心已经采用48V电源架构，其余数据中心仍继续采用12V电源架构。如今，这一转变正在加速，据Advanced Energy估计，到本世纪中叶，多达50%的数据中心将采用48V电源架构。
来自Market Watch的数据，2022年，全球电力转换市场规模约为292亿美元，预计在预测期内将以5.15%的复合年增长率增长，到2028年将达到395亿美元左右。为了拥抱这一新趋势，很多企业都推出了48V电力架构生态系统，市场上可选择的产品很多，设计工程师也因此有了更多的选择。
