一步轉換為內核電壓

摘要

數據中心數字處理器、高端FPGA、更大型的人工智能(AI)處理器和超級計算機有何共同點？答案是它們都需要電源來提供內核電壓。內核電壓通常低于1 V，電流水平從100 A以下到1 kA及以上不等。

構建大電流、低電壓電源難度很大。為了盡可能減少散熱要求，高轉換效率至關重要。此外，電壓轉換器必須設計緊湊，以盡可能減小電源電路和負載（處理器）之間的寄生走線效應，從而有利于快速響應負載瞬變并更好地調節電壓。

圖1為一種常見的電壓轉換器架構，首先將48 V電源電壓轉換為12 V直流鏈路電壓，然后在第二步將其調節到低于1 V的內核電壓。

圖1 分兩步從48V轉換為0.8V內核電壓的電壓轉換架構

盡管每一步的效率都很高，但兩步轉換的總體效率卻較低。由于累積損失，即使每個轉換步驟的效率達到93%，總效率也只有大約87% (0.93 × 0.93 = 0.8649)。

圖2 一步將48V轉換為0.8V內核電壓的電壓轉換架構

圖2為另一種轉換架構，它采用μModule^? LTP8800-4A，能夠通過一個步驟直接將48 V電壓轉換為0.8 V的內核電壓。當負載電流為100 A時，該解決方案的效率可達90%以上。而且，該模塊可提供最高200 A的輸出電流。多個此類器件可以并聯工作，產生1000 A或更大的電流——這對于某些高端處理器至關重要。

專用內核電壓轉換器，例如LTP8800-4A，可以在電流高達200 A時，一步產生0.5 V至1.1 V的內核電壓。常規降壓轉換器電路難以應對極低的占空比。從48 V轉換為0.5 V時，占空比通常僅有1%左右，這給電路設計帶來了很大的挑戰。由于開關穩壓器的固有約束（如最短導通時間），在較高開關頻率下難以實現如此低的脈沖寬度比（占空比），從而導致效率難以達到理想水平。

免去直流鏈路電壓可簡化系統配置，電路只需要一個電源轉換器級便可完成轉換。這種方法不僅節省了空間，而且因為48 V或54 V的高電源電壓被直接送入內核電壓轉換器，這還減少了銅需求，從而優化了成本。

圖3 尺寸小巧，采用LTP8800-4A模塊

圖3展示了采用LTP8800-4A模塊的小尺寸解決方案。利用μModule器件可以獲得出色的電源，并避免傳統電路設計的復雜性。最終生成的電路結構緊湊，易于集成到鄰近數字負載的電路板上。

現代內核電壓轉換器（例如前面提到的μModule器件）通過PMbus?連接提供先進的數字控制功能，便于實時監控電壓、電流、溫度和故障。內部EEPROM可以存儲各種設置和錯誤日志。此外，數字連接支持對電源轉換器的控制環路進行微調。

結論

新模塊可將48 V電壓直接轉換為內核電壓，從而提供結構緊湊且效率出色的電源架構選項。

作者簡介

Frederik Dostal是一名擁有20多年行業經驗的電源管理專家。他曾就讀于德國埃爾蘭根大學微電子學專業，并于2001年加入National Semiconductor公司，擔任現場應用工程師，幫助客戶在項目中實施電源管理解決方案，進而積累了不少經驗。在此期間，他還在美國亞利桑那州鳳凰城工作了4年，擔任應用工程師，負責開關模式電源產品。他于2009年加入ADI公司，先后擔任多個產品線和歐洲技術支持職位，具備廣泛的設計和應用知識，目前擔任電源管理專家。Frederik在ADI的德國慕尼黑分公司工作。