PDN 的功能

PDN 旨在將大功率電源轉換成特定的電壓和電流，從而為系統中的多個負載供電。 變換器的工作需要在特性的溫度範圍內，滿足負載的穩態和峰值供電需求。 當電能從電源傳輸到負載時，PDN 的效能按照功耗、其物理尺寸、重量和成本來衡量。

企業及高性能計算的高級系統、通信與網絡基礎設施、自動駕駛汽車以及大量交通運輸應用只是需要更多電源的高增長產業中的幾個。 當 PDN 採用 12V 時，這些負載及負載功耗不斷增長的系統為實現高性能帶來了複雜的設計挑戰。將較高電壓綜合在 PDN 中，會帶來巨大的挑戰，而且抵制變革的理由很充分。在某些情况下，幾十年來已經建立了龐大的生態系統來支持行業的 12V PDN。

主要的電晶體、連接器及線纜產業與公司已圍繞 12 伏 DC 網路的組件供應紛紛建立。這種供電網路出現在上世紀 60 年代的汽車市場。 在汽車電源很快超過了 6V 電池所能提供的電源後，PDN 改用 12V 電壓。 最初使用的是兩個串聯的 6V 電池。 隨著 12 伏電壓成為大容量乘用車的標準，12 伏 PDN 組件迅速商品化，現已成了數十億美元的市場，進入門檻很高。12 伏組件的大量供貨，為 12 伏標準進入工業和電腦服務器市場起到了推波助瀾的作用，而卡車市場則推動了 24V 標準進入更高功率的工業應用領域。

這段簡短的歷史，介紹了系統功率的提升推動了高性能供電網路的發展情況。供應鏈的成本要求、多電源供電和風險帶來了改變 PDN 的阻力。然而，這種阻力可能會成為系統性能以及保持競爭優勢的限制因素。

48V 的出現

電信行業使用 48V PDN 已有幾十年了。48V 是最好的選項，因為：

• 它是安全超低電壓（SELV）
• 小型標準線可承載必須以極低壓降遠距離運行的電流
• “常開”要求促使該行業使用了 48V 大型可充電鉛酸電池組

當 PDN 基於 12 伏時，負載數量和負載功率不斷增加的先進系統為實現高性能帶來了複雜的設計挑戰。

隨著物聯網、筆記型電腦和行动电话的出現，通信網路基礎架構變得越來越複雜，利用現有 48V PDN 基礎架構為新設備供電，意義重大。 然而，用 48V 電源為很多新型的複雜負載，包括網路處理器、記憶體、控制器供電是一項挑戰。 因為大多數現有技術主要集中在 12V 供電系統，並在該電壓等級下對電晶體轉換器、穩壓器件等做了精心優化。

為解决這個 48V 至 12V 問題，部署了一種名為中間母線架構（IBA）的架構，其很快成了通信及網路基礎架構應用中的事實標準。 使用的這類母線轉換器是非穩壓固定比率 1:4 隔離器件，建立在一個開放框架封裝基礎之上，符合 DOSA 和 POLA 引脚分配標準，支持多種電源。 隔離不是 SELV IBA 的安全要求，因為電池正極與接地相連，可封锁電蝕，帶來 -48V 電壓。 將隔離式固定比率母線轉換器用作 DC-DC 變壓器，可使用 -48V 輸入為下游負載點（PoL）穩壓器提供+12V 輸出。

電源系統工程師花大量時間來構建和優化供電網絡，以提供高系統性能和高可靠性。如果系統負載功耗較高，採用較高壓為中間母線設計大容量供電，可减少電流（I = P/V）、壓降（V = I•R）和功耗（P_LOSS = I²R），從而可為 PDN 縮小尺寸，減輕重量並降低成本（線纜、母線排、連接器、主機板銅箔電源層）。 在轉換為低壓大電流之前，構建系統，最大限度延長較高電壓的運行時間是一個巨大的優勢。

每個行業（和應用）都是不同的，然而圍繞特定 PDN 電壓或架構（如 IBA）進行標準化，會限制 PDN 效能的提高。 在大多數情况下，通過新特性和新功能來超越和獲得競爭優勢的需求可促進針對 PDN 的變革。例如，資料中心的人工智慧（AI）等高級應用正在推動資料中心從 12V 轉向 48V 並從 IBA 轉向新的架構。 處理器及相關服務器機架功率級的顯著提升已超過 12V 所能達到的極限。

對於汽車市場而言，需要滿足要求降低汽車 CO₂ 排放的管控標準，是探索汽車電氣化的催化劑。 監管壓力加上對更高車輛效能的要求，催生了 48V 電池，以支持最新輕度混合動力傳動系統、安全系統以及資訊娛樂系統設計。

在大型 LED 顯示系統中，線纜運行時間長、功率較高以及需要 SELV 等典型問題使得 48V PDN 成了這個新興行業的標準。

更高電壓的全新 PDN

許多12V PDN 的設計都使用非常簡單的 AC 至12V、然後 12V 至 PoL 的兩級結構。以 12V 蓄電池作為電源為例，大功率的配電系統將 12V 分配給 PoL 和穩壓器。

隨著更高系統功率需求的出現，基於 380V 和 48V 的 PDN 現已變得更加複雜，因為許多行業仍試圖在負載點保留原有 12V PDN 基礎架構。 其它 PDN 挑戰來自全新高壓大型電源，如純電動汽車（EV）及高性能汽車中的 800V 電池等。

在這些新系統及新應用中，PDN 可分為三個基本部分：

• 大型電源轉換為 48V
• 先進行 48V 中間母線供電，然後進行 轉換，有時候會穩壓至 12V
• 負載點（PoL）供電在 12V 位置執行轉換並穩壓

額外新增的 48V 至 12V 轉換，會新增損耗、PCB 空間和成本。 但是，高壓 PDN 的供電優勢，以及高壓所帶來的效率提升，超過了 48V 轉 12V 帶來的損耗。 此外，還有多種將 48V 直接轉換給負載供電的模組化解決方案，採用不同的拓撲和體系，讓兩種供電方式都能實現最佳效果。

為大型供電實現創新

要為中間 48V PDN 的大型電源轉換實現創新，主要看以下幾個方面：

• 實現更高功率密度
• 使用模組化方法實現備援並簡化熱管理
• 通過散熱良好的平面封裝實現高級散熱技術
• 使用固定比率轉換器

隨著功率級的不斷提高，大型電源系統設計的挑戰現已變得越來越複雜。 管理大型電源轉換器的尺寸和重量，並針對其因較高功耗帶來的高溫進行散熱，是大多數應用關注的主要方面。 如果尺寸和重量不是問題，就可實現非常高的效率並可通過風扇散熱實現熱管理。

然而，大多數應用都需要提高功率密度。電源系統工程師應該考慮使用電源模組設計和構建這些大型轉換器的優勢，而不是從頭構建分立式設計。電源模組與創新架構、拓撲、控制系統及封裝相結合，可提供改善大型 PDN 效能的新方法。

如果大容量電源為 AC 或高壓 DC，則需要隔離。 在任何轉換器中，隔離級都會新增功耗，但如果中間母線 PDN 包含 PoL 級（即 48V 至 12V）的穩壓，則可能不需要穩壓。 這種方法有兩個考慮因素：

• 電源的輸入範圍：固定比率轉換器會根據其匝數比或K因數將該輸入電壓反映至輸出，就像變壓器一樣。
• 三相和單相 AC 電源需要功率因數校正（PFC）。

利用固定比率轉換器的高功率密度和高效率來改善大型電源轉換器的尺寸和重量的另一種方法是將其用作轉換和隔離級功能，其中 PFC 和穩壓由前級完成。 由於 BCM 輸出阻抗的溫度係數為正，因此固定比率轉換器可輕鬆並聯，實現高功率。

資料中心和百億億次計算通常需要在有限的空間內獲得最大的處理能力，因此它們從高密度組件及高級散熱技術中獲得了極大的優勢。 在某些情况下，完全浸入式散熱是在整個服務器佈置在一個惰性液槽中的環境中實施的。另外，其它高性能計算應用也在使用通過熱導管散熱技術和冷卻板散熱技術實現的散熱技術。 在這些應用中，需要一款纖薄的平面封裝來為大型電源系統提供電源轉換及穩壓級。

中間母線及負載點供電的創新

要為 48V 中間母線 PDN 實現創新，主要看以下幾個方面：

• 利用非隔離固定比率母線轉換器實現 48V 至12V 的轉換
• 部署高功率密度的穩壓電源模塊轉換器
• 結合 IBA的不同架構，稱之為分比式電源架構（FPA™)