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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。

Figure 1: Data centers invariably require an immense amount of power, but 48 V bus systems are a proven way to reduce power losses—when designed correctly. — 圖1 ：資料中心總是需要大量電力，但只要設計得當， 48V匯流排系統就是能減少功率損耗的可靠方法。

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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 。

參考連結：

開放計算項目（ OCP ）提出的建議

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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。

Figure 2: Simplified half-bridge DC-DC converter. — 圖2 ：簡化的半橋式DC-DC轉換器

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。

Figure 3: Sources of losses in a non-isolated buck DC-DC converter. — 圖3 ：非隔離降壓型DC-DC轉換器的損耗來源

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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 。

Figure 4: A half-bridge DC-DC converter reference design supporting the 48 V bus system. — 圖4 ：支援48 V匯流排系統的半橋式DC-DC轉換器的參考設計

Table 1 : Specifications of the half-bridge DC-DC converter shown in Figure 2

Figure 5: Block diagram of a 1.2 V / 100 A output isolated DC-DC converter for direct conversion of 48 V bus voltage to 1.2 V. — 圖5 ：用於將48V匯流排電壓直接轉換為1.2 V的1.2 V/100 A輸出隔離式DC-DC轉換器的方格圖

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 。

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