助力未来创新：适用于1/4砖电源的混合转换器—第2部分：性能

摘要

随着48 V架构的出现，1/4砖电源成为数据中心应用中的一个关键组成部分。电源必须在效率和瞬态响应方面表现出色，同时仍保持1/4砖的尺寸规格。在严格的尺寸限制下，基于混合转换器的1/4砖电源能够同时满足高效率和瞬态响应的要求，并提供高达2 kW的输出功率。4相混合转换器集成了一个双2相耦合电感，在降压部分使用2:1的降压比，从而显著降低了电流纹波，进一步提升了性能。参考设计在48 V输入下的峰值效率为98.59%，在54 V输入下的满载效率为97.68%。

引言

随着处理器核心的性能提升，加上数据中心越来越多地使用人工智能(AI)芯片，下一代计算机对电力的需求远超以往，而且需要保持外形尺寸不变，以确保迁移工作的前期成本最小化。为此，亟需性能更好但尺寸不变的电源来为下一代芯片提供所需的电力。因此，使用标准化的1/4砖电源对系统设计十分有利。1/4砖电源具有开箱即用的特性，并且不同供应商的产品能够相互兼容，因此使用这种电源可以降低系统设计的复杂性。

然而，并非所有1/4砖电源的拓扑和性能都相同，因此工程师应根据具体要求谨慎选择。采用1/4砖电源进行设计时，工程师需要考虑的一些关键参数包括：工作输入电压、输出电压调节、峰值效率、满载效率、瞬态性能、热性能、可扩展性等。

本文将介绍采用4相混合转换器LTC7822设计的分立式1/4砖电源及其性能，并探讨如何以高效率满足更高的输出功率需求。

数据与结果

以下测试结果包括启动时的测量数据、稳态性能测量数据、工作性能波形和温度测量数据。下列配置采用1/4砖参考设计及其系统板进行了测试。系统板配有热插拔电路。

1/4砖电源的工作设置

输入电压：40 V至60 V

输出电压：12 V

输出负载：0 A至166.67 A

开关频率：150 kHz

性能数据

效率与功率损耗

1/4砖参考设计采用双2相混合转换器LTC7822，可以实现负载分配，降低每相电流，从而减少导通损耗，成为高功率、高降压比应用的理想选择。LTC7822混合转换器展现出优异的效率，有效减少了功率损耗，进而降低了散热需求。

在48 V和54 V输入条件下，测试了这种1/4砖电源的效率，效率曲线如图1所示。输入电压较低时，由于电压降幅较低，因此峰值效率更高。然而，当输出功率提高时，由于输入电流增大，效率会逐渐下降。而在54 V下，峰值效率较低，但满载效率更高。

图1.ADI的1/4砖设计在48 V和54 V下的效率及功率损耗曲线

在1/4砖PCB面积上，转换器在48 V、800 W时达到约98.59%的峰值效率，满载效率为97.33%。对于54 V应用，转换器在1000 W时达到98.45%的峰值效率，满载效率为97.68%。

混合转换器采用的同步整流技术减少了二极管导通损耗，进一步优化了效率。控制器通过使用高质量、低等效串联电阻(ESR)的输入和输出电容器，再配合适当选择的耦合电感，有效降低了关键元件的损耗。精心挑选的元件和周全的设计考量，使整体功率损耗得以降低，混合转换器因此成为降压型应用的高效解决方案。

此外，混合转换器的开关频率可以灵活调整，设计人员可以根据具体应用要求，在效率和开关损耗之间找到平衡点。再结合适当的布局设计、有效的热管理和控制环路参数的优化，就能打造出可靠高效的电源。总之，LTC7822凭借双相架构、同步整流和灵活性脱颖而出，在众多降压转换器应用中都能展现出优异的效率和更低的功率损耗。

瞬态响应：扩展供电功率

LTC7822混合转换器非常适合用来满足中间总线应用的动态供电需求。创新的4相架构能够有效分配负载，降低负载意外变化的影响。从而提升了控制器的能力，能够快速有效地适应功率需求变化，确保在瞬态事件期间输出电压保持恒定。双2相的交错操作支持对突发负载波动做出快速响应，在需要快速调整电源的情况下至关重要。

LTC7822能够在有限的时间内提供扩展功率，以支持突发负载需求，同时输出电压保持稳定。我们对这个额定功率2 kW的设计进行了测试。图2所示为以1.5倍扩展功率供电50 ms的情形，图3所示为以1.8倍扩展功率供电500 µs的情形。

图2.2 kW扩展到3 kW阶跃负载，持续50 ms

图3.2 kW扩展到3.6 kW阶跃负载，持续500 µs

通过调整2型补偿，可以进一步优化混合转换器的瞬态响应，实现精密调节和输出电压偏差的最小化。

图4.48 VIN、满载(POUT = 2 kW)下的1/4砖电源热性能

热性能

这种参考设计的热性能对于整体性能的发挥至关重要。适当的热管理能够确保器件可靠运行，防止过热，从而避免性能降低和电子元件寿命缩短。图4所示为在没有使用散热器和底板的情况下的热特性。

为了增强混合转换器的热性能，可以采用高效的散热器，确保热量有效散发，同时保证器件周围空气流通顺畅。数据手册通常会提供有关如何适当设计散热器的建议，包括热阻和最大允许结温等详细信息。设计人员可以遵循这些指导原则，防止关键器件（控制器、FET）的温度超过限值，确保系统可靠持续地运行。此外，混合转换器可能具有过温保护等特性，以保护器件免受过热问题的影响。这种保护机制可以在温度过高的情况下自动关闭控制器或降低输出功率，防止器件和周围元件受损。

启动响应

混合控制器具备可控的启动响应，保证运行的可靠性和稳定性。它采用两段式软启动：飞跨电容预充电阶段和输出软启动阶段。这样可以利用主电源的低输入冲击电流为飞跨电容充电，而输出电压也会在初始上电期间逐渐上升。这种设计避免了飞跨电容的冲击电流和电压过冲，增强了系统的可靠性，并保护下游元件免受损坏。控制器还具备故障监测机制，能够检测启动期间的异常情况，触发适当的响应来避免潜在问题。图5显示了在开启降压部分之前如何对飞跨电容进行预充电。

图5.混合转换器在空载条件下启动

在启动过程中，混合转换器谨慎地逐步提高输出电压，确保平稳过渡到工作模式。对于电压的骤变可能会对所连接元件造成影响的应用而言，这种受控启动方式至关重要。控制器能够处理各种情况下的启动过程，支持广泛的输入电压和负载场景。ADI公司的1/4砖参考设计还集成了热插拔控制器LTC4287，以确保输入电压平稳升降。

图6.1/4砖电源在空载条件下启动

输出纹波

输出纹波是指电源输出电压的波动或变化。为了实现低输出纹波，控制器采用了交错双相架构，并结合了耦合电感，开关相位之间略微错相，从而有效降低了输出电压纹波，使得输出电压更干净、更稳定。参见图7。

混合转换器的输出纹波性能受多种因素影响，包括输入和输出电容器的质量、电感的选择及整体的布局设计。通过采用高质量、低ESR的电容器并选择适当的电感，设计人员可以进一步降低输出纹波。数据手册通常会提供有关如何选择合适的电容器以优化输出纹波性能的指南和建议。在要求保证低输出电压纹波的应用中，多相设计和特性有助于维持平稳且精准调节的输出，对于需要稳定电压以确保正常运行的敏感电子元件或系统尤其有利。

图7.输入电压纹波和输出电压纹波

输入和输出电压的纹波数据也依赖于测量设置，建议在最近的陶瓷电容器处使用短探头来采集稳态下的真实纹波性能。

结论

1/4砖电源是精简的高性能电源解决方案，适合多种应用。此类电源以紧凑的设计、高能效和出色的可靠性而闻名，拥有优越的功率密度、精准的电压调节能力和先进的保护特性，是众多行业不可或缺的重要器件。

ADI公司最新的混合转换器LTC7822在为数据中心供电方面具有显著优势，不仅效率高、性能稳健，而且具备先进的控制特性。它能够优化供电、增强可靠性并降低运行成本，因而成为数据中心实现高效、可靠电源管理的理想之选。

参考文献

Christian Cruz，“48 V技术的魅力：系统级应用中的重要性、优势与关键要素”，模拟对话，第58卷，2024年7月。

Bruce Haug，“72 V混合式DC-DC转换器使中间总线转换器的尺寸减小达50%”，《模拟对话》，第52卷，2018年2月。

Alexandr Ikiriannikov、Laszlo Lipcsei，“大幅提高48 V至12 V调节第一级的效率”，ADI公司，2023年10月。

“The Benefits of the Coupled Inductor Technology”，Maxim Integrated，2015年3月。