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前言：
Vicor公司设计、制造和销售模块化功率元件，这些电源转换解决方案产品广泛应用于航空航天、高性能计算机、工业设备和自动化、电信、网络基础设施，以及车辆和运输领域。近年来云计算、大数据、社交、移动等热点不断冲击和影响着服务器市场，全球服务器市场也因此呈现出持续增长的态势。据Gartner数据显示，2014年全球服务器出货量同比虽增长，但势头缓慢。除了亚太和北美市场外，中国服务器市场成为全球出货量增长的源动力。2015年，IDC行业发生了深刻的变化，传统IDC企业逐步在向云计算转型，金融、电信、能源等信息化程度较高的重点行业对数据中心服务的更新改造需求，互联网、生物、动漫等新兴行业对数据中心的外包需求以及云计算带来的巨大市场机遇，将推动中国IDC业务市场不断扩大。我国出现数千台服务器数据中心机房，运行功率为数十兆瓦或更高（天河2号高达24兆瓦），而如何可靠安全地为这些数据中心的IDC设备供电时限制IDC设备发展的一个难点。IBM、Google、Facebook等公司在这些做了先行的研究并成功商业化。
电网电压提供的是交流380V/220V，50Hz，而IT设备逻辑电路用的是直流低电压，这是两个不可改变的事实。为IT设备供电的电源设备自然是完成两种制式电压的转换。在20世纪70年代，由于功率半导体器件性能的进步，开关电源技术界开始了一场“20kHz的革命”，到90年代，计算机机内电源基本上都使用了无输入变压器的高频开关电源，计算机设备是可以由高压交流市电(无需降压)直接供电的，当然也是可以直接用高压直流供电的。在AC-DC系统拓扑中，都在改进配电效率但局限于系统局部性能的优化，无法实现整体规模的显著改善，很难超过几个百分点。据法国电信和中国移动的研究成果，用直流配电可以提高整机效率8%到10%。
我们来了解交流供电和直流供电（48V中间总线）。交流供电是传统的变压器输入方法。需要交流UPS的AC-DC转换和DC-AC逆变转换两个步骤。系统中多了2级转换的两个谐波源——负载侧AC/DC变换器输入和和UPS输出的DC/AC逆变输出，降低的能源使用效率，同时故障级点的增加来更高的维护成本。对电网和系统本身形成干扰、增加滤波设备、降低输入功率因数和能源利用率，对零、地线系统提出苛刻的要求等。而直流系统免去交流UPS环节，直接用电池备份方案起源于上世纪90年代，省去交流系统的UPS逆变②和③。整机的可靠性可以提高约10%。降低设备的生产成本和维护成本。而效率可以得到提高。48V的直流系统供电成功用于电信级产品。在电信机房中，我们通过交流整流柜实现AC到48V的直流转换，与48V备用电池结合为为48V中间总线给DC-DC供电。48V产生12V总线为板上负载点供电，如处理器、专用网络处理器、内存、以及核心交换ASIC芯片等供电。
图1.
高压直流供电， 即将交流整流成为380V直流与336V电池直接结合形成高压直流总线， 将大大降低在机房总线布线的铜损，机房布线380V总线相对48V总线电压升高8倍， 损耗降低 82 即64倍.高压直流电压380V分布整个设施，在本地负载点实现DC/DC转换。 还可以利用风能、太阳能等再生能源形成微电网给给整个设施供电。同时有效地降低单一电网供电保障难题。
图2.
在现行电路中，绝大多数的负载工作在12V 以下的电压下， 如硬盘马达驱动为12V，SSD为5V/3.3V，DDR工作在1.2V， CPU的核电压1.8V等。转换系统所面临的挑战都是有关高效而可靠的产生低压/大电流。HVDC也能满足这一条件， 用一个BCM ® 总线转换器， 通过变比K为1/8或1/23的转换产生 380V 到47.5V或11.875V 总线。 Vicor 的BCM总线转换器是一个正弦波振幅转换器（Sine Amplitude Converter TM， 即 SACTM），是一个零电压/零电流开关拓扑的架构，是一个隔离非稳压的DC-DC转换器。 除了输入/输出是直流电压，SAC像一个具有固定输入/输出电压比的交流变压器。SAC可以说实现98%的转换效率，同时由于SAC的软开关技术，开关频率超过了1MHz， 再实现如此高的效率的转换之外还可以在一个ChiP（Converter Housed inPackage）6123 (63.34 mm x 22.80 mm x 7.26 mm)封装中实现K=1/8即400V到50V 1750瓦的转换,功率密度高达3000瓦/立方英寸。
图3. BCM 转换器功率转换架构
根据ETSI规范，336V备份电池正常的工作范围260V-410V， 当AC-DC失电情况下，备用电池总线电压因为放电而下降最低有可能为260V/8 即32V， 我们需要在ETSI定义的满量程电压范围内提供适配器或均衡器来保持48V的电压轨稳定，这里Vicor提供一个零电压开关架构的升降压（Buck- Boost converter）。这个Buck-Boost转换器实现预稳压功能模块及PRM （Post Regulation Module），在全型VI Chip 32.5mm*22mm*6.7 mm 实现600W, 而在与RJ-45以太网插头大小相近的半型尺寸的VI Chip可以实现300W的功率。在这两种情况下，该结构可以保持高效率、并且无缝、动态使用多个供电源，可以是高压整流柜的AC/DC、也可以算是再生能源或备用电池供电。
图4. PRM升降电路架构
图5. ETSI 定义工作范围
我们先看传统的48V总线如线卡、路由器的架构的，在 交流整流柜或电池输出到380V总线经1/8转换得到一个32-50V的总线电压，经过升降压的调整实现一个48V/54V的稳定输出到板卡。 到板卡上再利用K=1/4 或1/5的IBC总线转换实现到12V/9.6V的总线，之后再通过多个nPoL分别实现CPU /DDR /GPU等供电。当然如果有AC/DC的输入设备，就需要48V到DC-AC 的逆变电路。
图6： 380V-48V 升降压均衡适配器
在针对12V总线设备的过渡设计中，380V通过 K=1/32 变比实现12V的总线，硬盘/风扇类电机驱动需要一个升-降转换器。CPU/GPU/ASIC/DDR等由多个DC/DC转换实现。
图7： 380V-12V 部分升降压均衡适配器
对于新型设计，380V通过 1/8 变比实现48V的总线 （32-50V），硬盘/风扇类电机驱动需要一个30-60V输入范围的ZVS降转换器。CPU/GPU/ASIC/DDR等由功率分比架构FPA（Factory Power Architecture）的PRM+VTM DC/DC转换实现。
图8： 380V-48V FPA VR13 架构
根据典型CPU负载与输配电源计算三种不同配电方式的效率， 供电方式分别为AC-DC整流柜和满足ETSI（260V-400V）的高压直流（备用电池）供电方式。利用Vicor的 K=1/8 或K=1/32 的高压BCM可以实现对传统电路的改进，实现高效的高压直流的转换。Vicor ZVS Buck-Boost PRM应对ETSI规范的低压降至260V时中间总线的变换。
图9. 三种方案的功率链的效率分析
为了实现380V 高压直流供电方式， 我们采用市场上现有在售的交流整流器、连接器、保险丝和配电布线构成一个完整的380V直流供电系统。艾默生、Vicor、Anderson Electric等之间的合作为多个负载点供电，有Intel的VR12.5 处理器的测试板、一台LAN交换机、一台1U的服务器和一台有显示器的电脑。 这里为了进一步证明概念的有效性， 我们利用Vicor FPA架构实现从48V直接转换到1.8V给Intel处理器供电，从而获得比传统高5%的效率。
图10. 高压直流供电演示图
前面我们介绍了机房高压直流380V供电， 也介绍在电信级48V总线供电和传统12V的服务器供电方式。随着计算密度（CPU数量、内存、输入/输出等功能的扩展）和功耗的增加的矛盾日益突出。当计算节点数量增加和单板功率密度的增加推动整个机架的功率由传统的6到8KW上升到10KW或更高，传统的12V机架配电母线排及连接器尺寸和成本显著上升。当每个机架超过20KW时， 采用类似电信级设备的48V配电，每个机架上的功率达到80KW时，其母线排的电流和12V总线供电20KW 供电相当。IBCM基于Power7 的IBM BlueGene® /Q 就采用48V总线， 2011年Green 500获最高效率并在2012年Top500评为世界最高性能超级计算机，可实现20，132万亿次数浮点运算/秒（Floating-point operations per second）和20亿万个浮点运算/每秒/每瓦高能效。在传统的电信行业的路由器和交换机其处理器采用Qualcomm、Xlinx 等30-40W 专用集成电路(ASIC)， 升级为80-150W专用集成电路。 随着3C的兴起电信级的服务器使用，以数据通讯为主。这些系统通常使用48V 总线电压。在CPU的全速、低速空闲、休眠等状态， CPU给电源的控制芯片发送串行电压识别指令（Serial Voltage Identification）监控调节、电压，所有的稳态或运算的动态期间，送到CPU的电压必需在预先严格定义的范围内，以最大限度地提高性能并减少系统崩溃的机会。 Intel的功率需求根据不同的平台如SandyBridge、Grantley、Purly规范了VR12.0、VR12.5以及VR13等规范。我们来看个处理器厂家的平台化演进，以Intel的至强® 和和IBM的Power PC为代表高性能计算机和Qualcomm (高通)、Xilinx (赛灵思)以及 Hisilicon(华为海思)代表ARM 或ASIC 处理器在通讯、网络产品的应用。
图11. 流行处理器的功率演进路标
在传统的12V供电的系统， 我们需要通过48V机架转换到12V总线到主板，再在主板上通过VRM模块给CPU、内存、交换处理芯片等供电。而这个二级转换的效率计算在实际使用要考虑48V 总线起始点到VRM输出到CPU核电压点。48V总线和12V总线上的连接器和母线条上的损耗是不一样的，同时12V转换的Vcore轨的供电由于是多项降压电路， 其供电也不能以最小横向距离靠近CPU的核。
图12. 传统IBA 架构12V供电方案
在今天的VRM功率的发展是以增加“项 (Phase)”数来实现，我们可以通过多项转换实现100A+ 的VRM，而在CPU预留的区域限制了VRM转换器功率的增加，一个可以优化供电的方式就是从48V直接到CPU插座本身。还有一个问题就是我们一些超级CPU的核供电电流实现200A或300A的电流消耗，而传统的多项控制最多是7～8项， 这样电流限制在200A以下的等级，给我一个演进的巨大挑战的空间。
图12. 传统IBA 架构12V供电CPU功率增加遇到巨大挑战
Vicor提倡优化48V供电的优化方案，及功率分比架构(Power Factory Architecture)。分比电源架构采用一个新异的功率转换架构，实现典型DC-DC转换器的调节、电压转换功能，并分比成单个元件，然后这些单独元件可以设计成微型的Chip 封装，这些微小的电压稳定专用的我们称预稳压PRM (Post Regulation Module) 和电流倍乘VTM (即电压变压器， Voltage Transformer Module)。 PRM和VTM各司其职被安排在最佳的电源架构中。
图14. VicorFPA架构48V供电方案
这里，PRN采用非隔离的Buck-Boost生-降压拓扑转换， 在范围内的变化的直流电压的输入，产生一个稳定可调整的直流电压输出即分比母线Vf,给后续的VTM变压器供电。VTM是一个采用“正弦波振幅转换器(Sine Amplitude Converter)”技术的固定变比DC-DC变压器，可直接向下转换分比母线Vf至CPU的内核，提供核电压Vcore。 由于零电压ZVS和零点零ZCS技术，转换器可以实现高效率和高功率密度，PRM的峰值效率高达97.8%， VTM峰值超过94%。利用FPA架构的电源系统，从整个系统到主板上，可以保持高效率的48V配电， 使PRM和靠近48V输入插座而VTM靠近CPU槽口。 这样实现了一个高效、小型的电源系统，包括之前IBM在BlueGene/Q系统中应用，现在Google在Open Power 上也向业内宣传他们的成熟方案。
图14. 谷歌在2016年三月的OCP的48V供电架构
基于Intel VR12的规范开始，Vicor提供可以给完整的交钥匙方案。Vicor 的VI Chip 或(SM) ChiP组成一个电源传送链，采用一个独立的VID控制器， 充当CPU和FPA电源链路之间接口的转换器，这反过来利用有机的快速模拟控制回路提供了准确的CPU内核电压。
图15.采用48V-1.x处理器的FPA供电架构
通过这个VR测试板，Vcore 不需要单独的48V-12V转换器，需要注意的是我们在VTM输出端子的也省去体积较大且笨重的的电解电容。 VTM可以尽量靠近CPU的插槽。
图16.采用PI3751(PRM) 和VTM48MP020T88 实现48V-1.x处理器的FPA供电架构
这里我们做一个负载的动态测试。负载电源有状态0到状态1 过渡，期间负载的加载电流由16A上升至147A。显示在不同的时间上， FPA系统可以在5uS内建立一个文迪、干净的响应。下图黄色表示电流、紫色表示VTT测试的电压(SMT 的陶瓷电容)。
图17.FPA(左)与传统负载(右)负载动态响应对比
采用Vicor的FPA架构，我们还可以利用VTM的正弦波振幅震荡技术降低对主板的噪声的。传统的多项降压电路需要多个给电感，这些电感的相对ZVS/ZCS的正弦波振幅有更大的噪声干扰。如下图：
图18.传统多项降压(左) 与FPA(右)噪声干扰对比
利用Vicor FPA架构，我们可以无需VID控制器实现ASIC 或通过其他的PMBus/AVS接口实现48V直接到处理器的供电方案。
图19. FPA架构给ASIC 处理器供电
Vicor提供完整的电源解决方案所需的功率元件，并在产品的规划不断创新发展来提高功率密度和提高效率。
图20.
对于一个完整的电源转换使用FPA分比架构电路或者使用IBA传统系统架构的电路相比较可以显著的减少尺寸、提高效率节省PCB的使用空间。电源转换部分电路的尺寸的减少意味着单板可以增加更多的计算功能(处理器可能有2片增加到4到8片，内存、数据转换等是增加)。 FPA供电方案比IBA的方案在主板上可以节省50%的面积，同时节省48V转12V的板外DC/DC转换器。在功率传输方面， FPA架构可以在负载的60%至100% 时高5% 的效率，对于一个145W的处理器来说可以降低转换损耗达10W，而我们再看CPU的使用率(85%占用)和机房的空调成本(70%)和每路CPU带8或者12DIM的内存条，我们的每路CPU最终可以节省14.5瓦的损耗。而我们普通的数据中心大约使用3万只这样的CPU， 按照用电的成本1元/度技术，我们每年数据中心可以节省330万元，这样我们在3年内就可以收回由VI 晶片投入的成本。
图20. IBM P7 & Non IBM P8
在节省能源与倡导环保今天，以语音为中心的电信网络与数据（语音、视频、数据）为主的网络的融合，推动了从信息提供端到最终用户对用电的消耗增加。 与此同时，因为面临环境气候变化问题，我们提倡尽可能使用太阳能、风能等可再生能源，减少煤电、石油等燃料的使用。 1997年签订京都议定书，2009签订的哥本哈根协定已经欧洲的20-20-20能源战略举措是为了减少温室气体排放、降低能源消耗，并越来越多的使用可再生能源提供了一个管理框架和非常积极的目标。当今我们电源行业的响应这些举措，并利用先进的技术、创新的解决方案来满足属于其中一部分的电能转换环节。 在前沿的过渡时期，这些方案必须是开放性、先进性，并成熟的经过验证的安全可靠并可示范的技术及产品，这样可以说缩短研发上市时间。同时在整个行业基础上与各个供应商和组织的联盟合作，制定全面的标准，定义共同点，并尽量减少采纳障碍。
注意：附件原理图以及PCB仅供参考，不可用作商业用途！
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