轉載自All About Circuits官網，作者Hiroshi Takei

為了控制電源，數據中心已開始廣泛采用基于48V總線電壓的新型機架架構。學習如何設計半橋DC-DC轉換器以實現這種48V系統。

為滿足數據存儲日益增長需求，必須擴容并建立新的數據中心。這種擴展最終會顯著增加功耗，隨之而來的是如何控制電源。

服務器機架采用48V總線電壓是一種降低數據中心功耗十分有效的方法。不過，只有使用精心選擇的高效MOSFET才能搭建這樣的架構。

數據中心通常需要大量電力，設計得當的情況下，48V總線系統是減少功耗的有效方法。

開放式機架架構如何解決功耗問題

為了提高能效，必須解決功耗問題。開放計算項目（OCP）①提出開放式機架架構，采用48V總線電路而不是傳統12V總線電路降低功率損耗。

要了解這種方法的工作原理，首先回顧一下采用I2R計算電線功率損耗，其中R代表電線電阻，I代表電線電流。根據電流與電阻之間的這種簡單關系，相同電阻的情況下，電流越小，功耗越低，效率越高。

開放式機架架構下，考慮12V總線電路與48V總線電路為服務器機架提供相同電量時產生的功耗：48V總線電路傳輸的電流僅為12V總線傳輸電流的1/4。因此，假設48V和12V總線電路電阻相同，48V總線損耗的功率僅為12V總線的1/16。

采用半橋DC-DC轉換器搭建開放式機架

在理論基礎上實際應用開放式機架架構時，可考慮使用半橋DC-DC轉換器，如圖2所示。這種轉換器可以有效地將48V總線電壓降到1.2V，減小系統總功耗。

圖2. 簡易半橋DC-DC轉換器

半橋DC-DC轉換器最大功耗源于開關操作。除開關損耗外，還包括柵極驅動損耗、輸出電容損耗、二極管反向恢復損耗和導通損耗，所有這些損耗都將影響DC-DC轉換器的整體效率。

圖3. 降壓DC-DC轉換器損耗來源

正確選擇功率MOSFET，可顯著降低圖3所示各種損耗。選擇用于半橋DC-DC轉換器的MOSFET時（如用于48V總線系統），需要考慮幾個因素和主要限制。此類系統的典型特性如圖4所示。

圖4. 半橋DC-DC轉換器輸入和輸出特性如圖2所示。

任何規格的MOSFET，必須確定輸入特性（輸入電壓和電流）以及輸出特性（紋波、開關頻率、電壓、電流和功率）。此外，必須知道電路拓撲結構，以及MOSFET用于原邊還是副邊。

東芝方法

采用圖5所示參考設計②和參數以及圖4概括的特性，東芝研究了實現最高效48V總線系統所需的最有效、最實用的功率MOSFET。

圖5.支持48V總線系統的半橋DC-DC轉換器評估板。

圖6方框圖顯示東芝開發的設計，采用特定MOSFET總效率達92.8%（Vin＝54.5V，30%負載），證明是實現高效率并將轉換器尺寸減小到僅為160mm×100mm的理想選擇。

圖6. 1.2V/100A輸出隔離式DC-DC轉換器方框圖，

48V總線電壓直接轉換為1.2V。

原邊主要受開關損耗影響，因此輸入電容小的MOSFET產品具有優越性，TPN1200APL③可在中負載至重負載（40A至100A）條件下實現高效率。減小輸入電容和導通電阻，導通電阻僅為9.8mΩ，可以實現這種高效率。

在副邊，內置二極管在MOSFET導通之前工作，因而副邊以導通損耗為主。因此，導通電阻小的MOSFET效果最好，東芝TPHR6503PL④在中負載至重負載條件下具有很高的效率。

這種硅n溝道MOSFET具有高速開關能力，漏極-源極導通電阻僅為0.41m?。同時具有柵極電荷、輸出電荷小，漏電流低的特點。

一切為了降耗

OCP提出的開放式機架架構使用48V總線電路降低功耗，提高效率。而支持48V總線系統的半橋DC-DC轉換器是一種有效配置方法。

這種方法需要仔細選擇MOSFET才能達到預期效果。東芝的研究表明，根據他們開發的緊湊高效的設計，原邊可使用TPN1200APL MOSFET，副邊可使用TPHR6503PL。

東芝提供優質高效的MOSFET，VDSS從30V到250V，每類VDSS包括不同的導通電阻類型，因此工程師設計DC-DC轉換器時，可以找到適用的MOSFET。

審核編輯：湯梓紅