半桥DC-DC转换器设计方案降低数据中心功耗

转载自All About Circuits官网，作者Hiroshi Takei

为了控制电源，数据中心已开始广泛采用基于48V总线电压的新型机架架构。学习如何设计半桥DC-DC转换器以实现这种48V系统。

为满足数据存储日益增长需求，必须扩容并建立新的数据中心。这种扩展最终会显著增加功耗，随之而来的是如何控制电源。

服务器机架采用48V总线电压是一种降低数据中心功耗十分有效的方法。不过，只有使用精心选择的高效MOSFET才能搭建这样的架构。

数据中心通常需要大量电力，设计得当的情况下，48V总线系统是减少功耗的有效方法。

开放式机架架构如何解决功耗问题

为了提高能效，必须解决功耗问题。开放计算项目（OCP）①提出开放式机架架构，采用48V总线电路而不是传统12V总线电路降低功率损耗。

要了解这种方法的工作原理，首先回顾一下采用I2R计算电线功率损耗，其中R代表电线电阻，I代表电线电流。根据电流与电阻之间的这种简单关系，相同电阻的情况下，电流越小，功耗越低，效率越高。

开放式机架架构下，考虑12V总线电路与48V总线电路为服务器机架提供相同电量时产生的功耗：48V总线电路传输的电流仅为12V总线传输电流的1/4。因此，假设48V和12V总线电路电阻相同，48V总线损耗的功率仅为12V总线的1/16。

采用半桥DC-DC转换器搭建开放式机架

在理论基础上实际应用开放式机架架构时，可考虑使用半桥DC-DC转换器，如图2所示。这种转换器可以有效地将48V总线电压降到1.2V，减小系统总功耗。

图2. 简易半桥DC-DC转换器

半桥DC-DC转换器最大功耗源于开关操作。除开关损耗外，还包括栅极驱动损耗、输出电容损耗、二极管反向恢复损耗和导通损耗，所有这些损耗都将影响DC-DC转换器的整体效率。

图3. 降压DC-DC转换器损耗来源

正确选择功率MOSFET，可显著降低图3所示各种损耗。选择用于半桥DC-DC转换器的MOSFET时（如用于48V总线系统），需要考虑几个因素和主要限制。此类系统的典型特性如图4所示。

图4. 半桥DC-DC转换器输入和输出特性如图2所示。

任何规格的MOSFET，必须确定输入特性（输入电压和电流）以及输出特性（纹波、开关频率、电压、电流和功率）。此外，必须知道电路拓扑结构，以及MOSFET用于原边还是副边。

东芝方法

采用图5所示参考设计②和参数以及图4概括的特性，东芝研究了实现最高效48V总线系统所需的最有效、最实用的功率MOSFET。

图5.支持48V总线系统的半桥DC-DC转换器评估板。

图6方框图显示东芝开发的设计，采用特定MOSFET总效率达92.8%（Vin＝54.5V，30%负载），证明是实现高效率并将转换器尺寸减小到仅为160mm×100mm的理想选择。

图6. 1.2V/100A输出隔离式DC-DC转换器方框图，

48V总线电压直接转换为1.2V。

原边主要受开关损耗影响，因此输入电容小的MOSFET产品具有优越性，TPN1200APL③可在中负载至重负载（40A至100A）条件下实现高效率。减小输入电容和导通电阻，导通电阻仅为9.8mΩ，可以实现这种高效率。

在副边，内置二极管在MOSFET导通之前工作，因而副边以导通损耗为主。因此，导通电阻小的MOSFET效果最好，东芝TPHR6503PL④在中负载至重负载条件下具有很高的效率。

这种硅n沟道MOSFET具有高速开关能力，漏极-源极导通电阻仅为0.41mΩ。同时具有栅极电荷、输出电荷小，漏电流低的特点。

一切为了降耗

OCP提出的开放式机架架构使用48V总线电路降低功耗，提高效率。而支持48V总线系统的半桥DC-DC转换器是一种有效配置方法。

这种方法需要仔细选择MOSFET才能达到预期效果。东芝的研究表明，根据他们开发的紧凑高效的设计，原边可使用TPN1200APL MOSFET，副边可使用TPHR6503PL。

东芝提供优质高效的MOSFET，VDSS从30V到250V，每类VDSS包括不同的导通电阻类型，因此工程师设计DC-DC转换器时，可以找到适用的MOSFET。

审核编辑：汤梓红