半橋式DC-DC轉換器方案有效降低資料中心的耗電量
為降低功耗，資料中心目前採用基於48V匯流排電壓的新型機架式架構。敬請了解如何透過設計半橋式DC-DC轉換器來實現這種48V系統。
簡介
為滿足日益增長的資料儲存需求，業界不斷擴大規模並建立新資料中心（圖1 ）。這種擴張最終導致功耗增加，同時也提出了減少功率損耗的要求。
降低資料中心功耗的一個非常有效的方法就是在伺服器機架上使用48V匯流排電壓。然而，目前只有透過使用精選的高效能MOSFET才能實現這種架構。
第1章：開放式機架架構如何解決功率損耗問題
T為達到更高的效率，必須解決功率損耗問題。開放式運算專案（ OCP ）提出的開放式機架架構透過使用48V匯流排而非傳統12 V匯流排，解決功率損失問題。
為了解其工作原理，首先需記住一點：業界使用I2R計算電源線造成的功率損耗；其中， R表示電源線電阻， I表示電源線電流。根據電流與電阻之間的這種簡單關係，對於相同等級的電阻，如果電流較低，則功率損耗更少且效率更高。
對於開放式機架架構，請考慮透過12 V匯流排與48 V匯流排為伺服器機架提供相同功率時的損耗：通過48 V匯流排的電流僅為通過12 V匯流排電流的1/4 。因此，假設48 V匯流排和12 V匯流排具有相同等級的電阻，則48 V匯流排的功率損耗將為12 V匯流排功率損耗的1/16 。
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第2章：採用半橋式DC-DC轉換器的開放式機架
為擺脫理論的條條框框限制並將開放式機架架構投入實際應用，請考慮半橋式DC-DC轉換器，具體如圖2所示。此轉換器可有效地將48 V匯流排電壓降至1.2 V ，並降低系統的總功耗。
半橋式DC-DC轉換器上的MOSFET工作造成的各種功率損耗，除開關損耗外，還包括閘極驅動損耗、輸出電容損耗、二極體反向恢復損耗和導通損耗。每種功率損耗都會影響DC-DC轉換器的效率。
為方便考慮，我們使用配備兩個MOSFET的非隔離降壓型DC-DC轉換器（如圖3所示），而非半橋式DC-DC轉換器。當考慮半橋式DC-DC轉換器的功率損耗時，圖3中的高邊MOSFET對應於圖2中的原邊MOSFET （ TR 1 、 TR 2 ），圖3中的低邊MOSFET對應於圖2中的副邊MOSFET （ TR 3 、 TR 4 ）。
圖3所示的功率損耗都是在非隔離降壓型DC-DC轉換器的每個MOSFET上產生的。使用適當的MOSFET可以大幅減少這些損耗。
第3章：我們的方法
我們開發了支援48 V匯流排系統的半橋式DC-DC轉換器的參考設計，並研究了在48V匯流排系統上實現最高效率水準所需的最有效、最實用的功率MOSFET 。
表1顯示了半橋式DC-DC轉換器的規格，圖5顯示了該轉換器的方框圖。
透過使用適當的MOSFET ，半橋式DC-DC轉換器的總效率達到92.8% （ Vin ＝ 54.5 V ， 30%負載），電路板尺寸僅為160 mm×100 mm 。
儘管對原邊來說， MOSFET的輸入電容越小，開關損耗就越小，但導通損耗的影響同樣不容忽視，因為最大負載時平均約有3A電流流過。因此，我們平衡了輸入電容值和漏源導通電阻後選擇了TPN1200APL 。
在副邊，內建二極體將在MOSFET導通前運行，從而使導通損耗成為主導因素。因此，我們選用了TPHR6503PL ，在我們的30 V MOSFET系列產品中， TPHR6503PL的漏源導通電阻最低，僅0.41 mΩ 。
第4章：關於降低功耗的相關信息
OCP提出的開放式機架架構利用48 V線路降低能耗並提高效率。支援48 V匯流排系統的半橋式DC-DC轉換器是實現高效運作的方法之一。
需慎重選擇適當的MOSFET才能讓DC-DC轉換器發揮作用。在緊湊型高效DC-DC轉換器的參考設計中，我們選用TPN1200APL作為原邊MOSFET ，並選用TPHR6503PL作為副邊MOSFET 。
我們提供V DSS介於30 V-250 V之間的優質高效能MOSFET ，以及各V DSS等級的各類漏源導通電阻的MOSFET ，因此工程師在設計DC-DC轉換器時可找到合適的MOSFET 。
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