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前言：
Vicor公司設(shè)計、制造和銷售模塊化功率元件，這些電源轉(zhuǎn)換解決方案產(chǎn)品廣泛應(yīng)用于航空航天、高性能計算機、工業(yè)設(shè)備和自動化、電信、網(wǎng)絡(luò)基礎(chǔ)設(shè)施，以及車輛和運輸領(lǐng)域。近年來云計算、大數(shù)據(jù)、社交、移動等熱點不斷沖擊和影響著服務(wù)器市場，全球服務(wù)器市場也因此呈現(xiàn)出持續(xù)增長的態(tài)勢。據(jù)Gartner數(shù)據(jù)顯示，2014年全球服務(wù)器出貨量同比雖增長，但勢頭緩慢。除了亞太和北美市場外，中國服務(wù)器市場成為全球出貨量增長的源動力。2015年，IDC行業(yè)發(fā)生了深刻的變化，傳統(tǒng)IDC企業(yè)逐步在向云計算轉(zhuǎn)型，金融、電信、能源等信息化程度較高的重點行業(yè)對數(shù)據(jù)中心服務(wù)的更新改造需求，互聯(lián)網(wǎng)、生物、動漫等新興行業(yè)對數(shù)據(jù)中心的外包需求以及云計算帶來的巨大市場機遇，將推動中國IDC業(yè)務(wù)市場不斷擴大。我國出現(xiàn)數(shù)千臺服務(wù)器數(shù)據(jù)中心機房，運行功率為數(shù)十兆瓦或更高（天河2號高達24兆瓦），而如何可靠安全地為這些數(shù)據(jù)中心的IDC設(shè)備供電時限制IDC設(shè)備發(fā)展的一個難點。IBM、Google、Facebook等公司在這些做了先行的研究并成功商業(yè)化。
電網(wǎng)電壓提供的是交流380V/220V，50Hz，而IT設(shè)備邏輯電路用的是直流低電壓，這是兩個不可改變的事實。為IT設(shè)備供電的電源設(shè)備自然是完成兩種制式電壓的轉(zhuǎn)換。在20世紀70年代，由于功率半導(dǎo)體器件性能的進步，開關(guān)電源技術(shù)界開始了一場“20kHz的革命”，到90年代，計算機機內(nèi)電源基本上都使用了無輸入變壓器的高頻開關(guān)電源，計算機設(shè)備是可以由高壓交流市電(無需降壓)直接供電的，當(dāng)然也是可以直接用高壓直流供電的。在AC-DC系統(tǒng)拓撲中，都在改進配電效率但局限于系統(tǒng)局部性能的優(yōu)化，無法實現(xiàn)整體規(guī)模的顯著改善，很難超過幾個百分點。據(jù)法國電信和中國移動的研究成果，用直流配電可以提高整機效率8%到10%。
我們來了解交流供電和直流供電（48V中間總線）。交流供電是傳統(tǒng)的變壓器輸入方法。需要交流UPS的AC-DC轉(zhuǎn)換和DC-AC逆變轉(zhuǎn)換兩個步驟。系統(tǒng)中多了2級轉(zhuǎn)換的兩個諧波源——負載側(cè)AC/DC變換器輸入和和UPS輸出的DC/AC逆變輸出，降低的能源使用效率，同時故障級點的增加來更高的維護成本。對電網(wǎng)和系統(tǒng)本身形成干擾、增加濾波設(shè)備、降低輸入功率因數(shù)和能源利用率，對零、地線系統(tǒng)提出苛刻的要求等。而直流系統(tǒng)免去交流UPS環(huán)節(jié)，直接用電池備份方案起源于上世紀90年代，省去交流系統(tǒng)的UPS逆變②和③。整機的可靠性可以提高約10%。降低設(shè)備的生產(chǎn)成本和維護成本。而效率可以得到提高。48V的直流系統(tǒng)供電成功用于電信級產(chǎn)品。在電信機房中，我們通過交流整流柜實現(xiàn)AC到48V的直流轉(zhuǎn)換，與48V備用電池結(jié)合為為48V中間總線給DC-DC供電。48V產(chǎn)生12V總線為板上負載點供電，如處理器、專用網(wǎng)絡(luò)處理器、內(nèi)存、以及核心交換ASIC芯片等供電。
圖1.
高壓直流供電， 即將交流整流成為380V直流與336V電池直接結(jié)合形成高壓直流總線， 將大大降低在機房總線布線的銅損，機房布線380V總線相對48V總線電壓升高8倍， 損耗降低 82 即64倍.高壓直流電壓380V分布整個設(shè)施，在本地負載點實現(xiàn)DC/DC轉(zhuǎn)換。 還可以利用風(fēng)能、太陽能等再生能源形成微電網(wǎng)給給整個設(shè)施供電。同時有效地降低單一電網(wǎng)供電保障難題。
圖2.
在現(xiàn)行電路中，絕大多數(shù)的負載工作在12V 以下的電壓下， 如硬盤馬達驅(qū)動為12V，SSD為5V/3.3V，DDR工作在1.2V， CPU的核電壓1.8V等。轉(zhuǎn)換系統(tǒng)所面臨的挑戰(zhàn)都是有關(guān)高效而可靠的產(chǎn)生低壓/大電流。HVDC也能滿足這一條件， 用一個BCM ? 總線轉(zhuǎn)換器， 通過變比K為1/8或1/23的轉(zhuǎn)換產(chǎn)生 380V 到47.5V或11.875V 總線。 Vicor 的BCM總線轉(zhuǎn)換器是一個正弦波振幅轉(zhuǎn)換器（Sine Amplitude Converter TM， 即 SACTM），是一個零電壓/零電流開關(guān)拓撲的架構(gòu)，是一個隔離非穩(wěn)壓的DC-DC轉(zhuǎn)換器。 除了輸入/輸出是直流電壓，SAC像一個具有固定輸入/輸出電壓比的交流變壓器。SAC可以說實現(xiàn)98%的轉(zhuǎn)換效率，同時由于SAC的軟開關(guān)技術(shù)，開關(guān)頻率超過了1MHz， 再實現(xiàn)如此高的效率的轉(zhuǎn)換之外還可以在一個ChiP（Converter Housed inPackage）6123 (63.34 mm x 22.80 mm x 7.26 mm)封裝中實現(xiàn)K=1/8即400V到50V 1750瓦的轉(zhuǎn)換,功率密度高達3000瓦/立方英寸。
圖3. BCM 轉(zhuǎn)換器功率轉(zhuǎn)換架構(gòu)
根據(jù)ETSI規(guī)范，336V備份電池正常的工作范圍260V-410V， 當(dāng)AC-DC失電情況下，備用電池總線電壓因為放電而下降最低有可能為260V/8 即32V， 我們需要在ETSI定義的滿量程電壓范圍內(nèi)提供適配器或均衡器來保持48V的電壓軌穩(wěn)定，這里Vicor提供一個零電壓開關(guān)架構(gòu)的升降壓（Buck- Boost converter）。這個Buck-Boost轉(zhuǎn)換器實現(xiàn)預(yù)穩(wěn)壓功能模塊及PRM （Post Regulation Module），在全型VI Chip 32.5mm*22mm*6.7 mm 實現(xiàn)600W, 而在與RJ-45以太網(wǎng)插頭大小相近的半型尺寸的VI Chip可以實現(xiàn)300W的功率。在這兩種情況下，該結(jié)構(gòu)可以保持高效率、并且無縫、動態(tài)使用多個供電源，可以是高壓整流柜的AC/DC、也可以算是再生能源或備用電池供電。
圖4. PRM升降電路架構(gòu)
圖5. ETSI 定義工作范圍
我們先看傳統(tǒng)的48V總線如線卡、路由器的架構(gòu)的，在 交流整流柜或電池輸出到380V總線經(jīng)1/8轉(zhuǎn)換得到一個32-50V的總線電壓，經(jīng)過升降壓的調(diào)整實現(xiàn)一個48V/54V的穩(wěn)定輸出到板卡。 到板卡上再利用K=1/4 或1/5的IBC總線轉(zhuǎn)換實現(xiàn)到12V/9.6V的總線，之后再通過多個nPoL分別實現(xiàn)CPU /DDR /GPU等供電。當(dāng)然如果有AC/DC的輸入設(shè)備，就需要48V到DC-AC 的逆變電路。
圖6： 380V-48V 升降壓均衡適配器
在針對12V總線設(shè)備的過渡設(shè)計中，380V通過 K=1/32 變比實現(xiàn)12V的總線，硬盤/風(fēng)扇類電機驅(qū)動需要一個升-降轉(zhuǎn)換器。CPU/GPU/ASIC/DDR等由多個DC/DC轉(zhuǎn)換實現(xiàn)。
圖7： 380V-12V 部分升降壓均衡適配器
對于新型設(shè)計，380V通過 1/8 變比實現(xiàn)48V的總線 （32-50V），硬盤/風(fēng)扇類電機驅(qū)動需要一個30-60V輸入范圍的ZVS降轉(zhuǎn)換器。CPU/GPU/ASIC/DDR等由功率分比架構(gòu)FPA（Factory Power Architecture）的PRM+VTM DC/DC轉(zhuǎn)換實現(xiàn)。
圖8： 380V-48V FPA VR13 架構(gòu)
根據(jù)典型CPU負載與輸配電源計算三種不同配電方式的效率， 供電方式分別為AC-DC整流柜和滿足ETSI（260V-400V）的高壓直流（備用電池）供電方式。利用Vicor的 K=1/8 或K=1/32 的高壓BCM可以實現(xiàn)對傳統(tǒng)電路的改進，實現(xiàn)高效的高壓直流的轉(zhuǎn)換。Vicor ZVS Buck-Boost PRM應(yīng)對ETSI規(guī)范的低壓降至260V時中間總線的變換。
圖9. 三種方案的功率鏈的效率分析
為了實現(xiàn)380V 高壓直流供電方式， 我們采用市場上現(xiàn)有在售的交流整流器、連接器、保險絲和配電布線構(gòu)成一個完整的380V直流供電系統(tǒng)。艾默生、Vicor、Anderson Electric等之間的合作為多個負載點供電，有Intel的VR12.5 處理器的測試板、一臺LAN交換機、一臺1U的服務(wù)器和一臺有顯示器的電腦。 這里為了進一步證明概念的有效性， 我們利用Vicor FPA架構(gòu)實現(xiàn)從48V直接轉(zhuǎn)換到1.8V給Intel處理器供電，從而獲得比傳統(tǒng)高5%的效率。
圖10. 高壓直流供電演示圖
前面我們介紹了機房高壓直流380V供電， 也介紹在電信級48V總線供電和傳統(tǒng)12V的服務(wù)器供電方式。隨著計算密度（CPU數(shù)量、內(nèi)存、輸入/輸出等功能的擴展）和功耗的增加的矛盾日益突出。當(dāng)計算節(jié)點數(shù)量增加和單板功率密度的增加推動整個機架的功率由傳統(tǒng)的6到8KW上升到10KW或更高，傳統(tǒng)的12V機架配電母線排及連接器尺寸和成本顯著上升。當(dāng)每個機架超過20KW時， 采用類似電信級設(shè)備的48V配電，每個機架上的功率達到80KW時，其母線排的電流和12V總線供電20KW 供電相當(dāng)。IBCM基于Power7 的IBM BlueGene? /Q 就采用48V總線， 2011年Green 500獲最高效率并在2012年Top500評為世界最高性能超級計算機，可實現(xiàn)20，132萬億次數(shù)浮點運算/秒（Floating-point operations per second）和20億萬個浮點運算/每秒/每瓦高能效。在傳統(tǒng)的電信行業(yè)的路由器和交換機其處理器采用Qualcomm、Xlinx 等30-40W 專用集成電路(ASIC)， 升級為80-150W專用集成電路。 隨著3C的興起電信級的服務(wù)器使用，以數(shù)據(jù)通訊為主。這些系統(tǒng)通常使用48V 總線電壓。在CPU的全速、低速空閑、休眠等狀態(tài)， CPU給電源的控制芯片發(fā)送串行電壓識別指令（Serial Voltage Identification）監(jiān)控調(diào)節(jié)、電壓，所有的穩(wěn)態(tài)或運算的動態(tài)期間，送到CPU的電壓必需在預(yù)先嚴格定義的范圍內(nèi)，以最大限度地提高性能并減少系統(tǒng)崩潰的機會。 Intel的功率需求根據(jù)不同的平臺如SandyBridge、Grantley、Purly規(guī)范了VR12.0、VR12.5以及VR13等規(guī)范。我們來看個處理器廠家的平臺化演進，以Intel的至強? 和和IBM的Power PC為代表高性能計算機和Qualcomm (高通)、Xilinx (賽靈思)以及 Hisilicon(華為海思)代表ARM 或ASIC 處理器在通訊、網(wǎng)絡(luò)產(chǎn)品的應(yīng)用。
圖11. 流行處理器的功率演進路標
在傳統(tǒng)的12V供電的系統(tǒng)， 我們需要通過48V機架轉(zhuǎn)換到12V總線到主板，再在主板上通過VRM模塊給CPU、內(nèi)存、交換處理芯片等供電。而這個二級轉(zhuǎn)換的效率計算在實際使用要考慮48V 總線起始點到VRM輸出到CPU核電壓點。48V總線和12V總線上的連接器和母線條上的損耗是不一樣的，同時12V轉(zhuǎn)換的Vcore軌的供電由于是多項降壓電路， 其供電也不能以最小橫向距離靠近CPU的核。
圖12. 傳統(tǒng)IBA 架構(gòu)12V供電方案
在今天的VRM功率的發(fā)展是以增加“項 (Phase)”數(shù)來實現(xiàn)，我們可以通過多項轉(zhuǎn)換實現(xiàn)100A+ 的VRM，而在CPU預(yù)留的區(qū)域限制了VRM轉(zhuǎn)換器功率的增加，一個可以優(yōu)化供電的方式就是從48V直接到CPU插座本身。還有一個問題就是我們一些超級CPU的核供電電流實現(xiàn)200A或300A的電流消耗，而傳統(tǒng)的多項控制最多是7～8項， 這樣電流限制在200A以下的等級，給我一個演進的巨大挑戰(zhàn)的空間。
圖12. 傳統(tǒng)IBA 架構(gòu)12V供電CPU功率增加遇到巨大挑戰(zhàn)
Vicor提倡優(yōu)化48V供電的優(yōu)化方案，及功率分比架構(gòu)(Power Factory Architecture)。分比電源架構(gòu)采用一個新異的功率轉(zhuǎn)換架構(gòu)，實現(xiàn)典型DC-DC轉(zhuǎn)換器的調(diào)節(jié)、電壓轉(zhuǎn)換功能，并分比成單個元件，然后這些單獨元件可以設(shè)計成微型的Chip 封裝，這些微小的電壓穩(wěn)定專用的我們稱預(yù)穩(wěn)壓PRM (Post Regulation Module) 和電流倍乘VTM (即電壓變壓器， Voltage Transformer Module)。 PRM和VTM各司其職被安排在最佳的電源架構(gòu)中。
圖14. VicorFPA架構(gòu)48V供電方案
這里，PRN采用非隔離的Buck-Boost生-降壓拓撲轉(zhuǎn)換， 在范圍內(nèi)的變化的直流電壓的輸入，產(chǎn)生一個穩(wěn)定可調(diào)整的直流電壓輸出即分比母線Vf,給后續(xù)的VTM變壓器供電。VTM是一個采用“正弦波振幅轉(zhuǎn)換器(Sine Amplitude Converter)”技術(shù)的固定變比DC-DC變壓器，可直接向下轉(zhuǎn)換分比母線Vf至CPU的內(nèi)核，提供核電壓Vcore。 由于零電壓ZVS和零點零ZCS技術(shù)，轉(zhuǎn)換器可以實現(xiàn)高效率和高功率密度，PRM的峰值效率高達97.8%， VTM峰值超過94%。利用FPA架構(gòu)的電源系統(tǒng)，從整個系統(tǒng)到主板上，可以保持高效率的48V配電， 使PRM和靠近48V輸入插座而VTM靠近CPU槽口。 這樣實現(xiàn)了一個高效、小型的電源系統(tǒng)，包括之前IBM在BlueGene/Q系統(tǒng)中應(yīng)用，現(xiàn)在Google在Open Power 上也向業(yè)內(nèi)宣傳他們的成熟方案。
圖14. 谷歌在2016年三月的OCP的48V供電架構(gòu)
基于Intel VR12的規(guī)范開始，Vicor提供可以給完整的交鑰匙方案。Vicor 的VI Chip 或(SM) ChiP組成一個電源傳送鏈，采用一個獨立的VID控制器， 充當(dāng)CPU和FPA電源鏈路之間接口的轉(zhuǎn)換器，這反過來利用有機的快速模擬控制回路提供了準確的CPU內(nèi)核電壓。
圖15.采用48V-1.x處理器的FPA供電架構(gòu)
通過這個VR測試板，Vcore 不需要單獨的48V-12V轉(zhuǎn)換器，需要注意的是我們在VTM輸出端子的也省去體積較大且笨重的的電解電容。 VTM可以盡量靠近CPU的插槽。
圖16.采用PI3751(PRM) 和VTM48MP020T88 實現(xiàn)48V-1.x處理器的FPA供電架構(gòu)
這里我們做一個負載的動態(tài)測試。負載電源有狀態(tài)0到狀態(tài)1 過渡，期間負載的加載電流由16A上升至147A。顯示在不同的時間上， FPA系統(tǒng)可以在5uS內(nèi)建立一個文迪、干凈的響應(yīng)。下圖黃色表示電流、紫色表示VTT測試的電壓(SMT 的陶瓷電容)。
圖17.FPA(左)與傳統(tǒng)負載(右)負載動態(tài)響應(yīng)對比
采用Vicor的FPA架構(gòu)，我們還可以利用VTM的正弦波振幅震蕩技術(shù)降低對主板的噪聲的。傳統(tǒng)的多項降壓電路需要多個給電感，這些電感的相對ZVS/ZCS的正弦波振幅有更大的噪聲干擾。如下圖：
圖18.傳統(tǒng)多項降壓(左) 與FPA(右)噪聲干擾對比
利用Vicor FPA架構(gòu)，我們可以無需VID控制器實現(xiàn)ASIC 或通過其他的PMBus/AVS接口實現(xiàn)48V直接到處理器的供電方案。
圖19. FPA架構(gòu)給ASIC 處理器供電
Vicor提供完整的電源解決方案所需的功率元件，并在產(chǎn)品的規(guī)劃不斷創(chuàng)新發(fā)展來提高功率密度和提高效率。
圖20.
對于一個完整的電源轉(zhuǎn)換使用FPA分比架構(gòu)電路或者使用IBA傳統(tǒng)系統(tǒng)架構(gòu)的電路相比較可以顯著的減少尺寸、提高效率節(jié)省PCB的使用空間。電源轉(zhuǎn)換部分電路的尺寸的減少意味著單板可以增加更多的計算功能(處理器可能有2片增加到4到8片，內(nèi)存、數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換等是增加)。 FPA供電方案比IBA的方案在主板上可以節(jié)省50%的面積，同時節(jié)省48V轉(zhuǎn)12V的板外DC/DC轉(zhuǎn)換器。在功率傳輸方面， FPA架構(gòu)可以在負載的60%至100% 時高5% 的效率，對于一個145W的處理器來說可以降低轉(zhuǎn)換損耗達10W，而我們再看CPU的使用率(85%占用)和機房的空調(diào)成本(70%)和每路CPU帶8或者12DIM的內(nèi)存條，我們的每路CPU最終可以節(jié)省14.5瓦的損耗。而我們普通的數(shù)據(jù)中心大約使用3萬只這樣的CPU， 按照用電的成本1元/度技術(shù)，我們每年數(shù)據(jù)中心可以節(jié)省330萬元，這樣我們在3年內(nèi)就可以收回由VI 晶片投入的成本。
圖20. IBM P7 & Non IBM P8
在節(jié)省能源與倡導(dǎo)環(huán)保今天，以語音為中心的電信網(wǎng)絡(luò)與數(shù)據(jù)（語音、視頻、數(shù)據(jù)）為主的網(wǎng)絡(luò)的融合，推動了從信息提供端到最終用戶對用電的消耗增加。 與此同時，因為面臨環(huán)境氣候變化問題，我們提倡盡可能使用太陽能、風(fēng)能等可再生能源，減少煤電、石油等燃料的使用。 1997年簽訂京都議定書，2009簽訂的哥本哈根協(xié)定已經(jīng)歐洲的20-20-20能源戰(zhàn)略舉措是為了減少溫室氣體排放、降低能源消耗，并越來越多的使用可再生能源提供了一個管理框架和非常積極的目標。當(dāng)今我們電源行業(yè)的響應(yīng)這些舉措，并利用先進的技術(shù)、創(chuàng)新的解決方案來滿足屬于其中一部分的電能轉(zhuǎn)換環(huán)節(jié)。 在前沿的過渡時期，這些方案必須是開放性、先進性，并成熟的經(jīng)過驗證的安全可靠并可示范的技術(shù)及產(chǎn)品，這樣可以說縮短研發(fā)上市時間。同時在整個行業(yè)基礎(chǔ)上與各個供應(yīng)商和組織的聯(lián)盟合作，制定全面的標準，定義共同點，并盡量減少采納障礙。
注意：附件原理圖以及PCB僅供參考，不可用作商業(yè)用途！
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