Vicor以完备电源技术克服高密度功率系统的设计挑战
- 台北讯
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近年来，在云端服务器、工业用机器人、以及电动汽车、航空、通讯等高端应用兴起的趋势下，带动了对高端电源解决方案需求的快速成长。
具备创新的拓扑架构及封装散热技术的Vicor，日前在台北举办了先进电源技术研讨会，详尽介绍了该公司的完备解决方案及其提供的体积小、重量轻、功率密度高、散热容易及高转换效率等特性，可协助业者克服高密度功率系统的设计挑战，并实现显着的差异化优势。
Vicor台湾区总经理翁鸿裕在致词时表示，Vicor是高端应用首选的电源解决方案供应商，可提供从前端(Front end)到板端负载点(POL)的完整电源解决方案。
研讨会中，在系统电源方面，特别聚焦于20KW以上高功率数据中心的三相电源AC-DC解决方案；而在板端应用，则说明服务器最新的48V架构移转趋势，以及如何运用Vicor解决方案实现16倍功率损失的降低。
随着台湾产业朝工业、汽车及数据中心等高端应用迈进，Vicor将致力于以最佳的方案与服务，协助业者更专注于高效能系统的开发，并提升其竞争优势。
全球电力网络演进带动的新机会
Vicor资深产品行销经理John Pitrus指出，在温室效应气体排放带动的环保观念、各国对太阳能、风力等再生能源的积极投资与部署、以及分散式能源与储存技术的持续发展等因素推动下，目前全球的电力网络正快速演进。
而另一方面，由于人口成长，大陆和印度等国家的工业化、以及人工智能、物联网等新兴应用崛起，使得全球对于能源的需求持续成长，预计到2030年将成长2%，达33TWh。
这些趋势与挑战为电源设计带来了新的机会。Vicor解决方案能以最高的效率与密度协助客户将转换并管理电网规模的电源到负载点(PoL)设计，相关的应用包括高电压直流电源分布、三相电源直接到机柜、以及48V和12V之间的双向电压转换等。
以Vicor近来的一个成功应用为例，日本ExaScaler/PEZY(ExaScaler and PEZY Computing)于2016年底发表第一款每立方米效能密度达1,500万亿次(1.5 PetaFLOPS/m3)的超级电脑ZettaScaler-1.8，便是采用Vicor的380V高压直流输入转48V直流供电，以及Vicor的高密度、高效率、直接到载(Direct-to-PoL)转换器将48V电压转换到PEZY运算处理器所需的低电压、高电流电源。
结果显示，系统在效率与功率密度方面均实现了大幅提升。此外，在三相电流直接到机柜方面，Pitrus表示，Vicor已推出480V三相交流电源转换到48V直流电压的解决方案，与传统的设计方案相比，不仅效率与密度更高，而且无需相平衡设计、较少的系统涟波效应，设计更为简易。
而在48V与12V双向电压转换方面，Vicor则是推出新款非隔离式主线(Bus)转换器，可提供98.5%的峰值效率，以实现新兴的电源储存应用。
Vicor如何实现数据中心的48V电源设计
Vicore功率元件部门副总裁Robert Gendron指出，目前48V已经用在超级电脑与超大规模(hyperscale)数据中心，但为满足现今CPU/GPU的更高功耗、更高暂态需求，以及机柜功率朝15KW、20KW甚至40KW以上发展的需求，都推升了对更高功率密度48V的移转趋势。
传统的12V设计需要较高的电流，因此CPU需要采用多相电流设计，此架构已沿用了20年之久。若采用48V设计，便能舍弃传统的多相电流架构，在效率、密度、成本等各方面都能提供更佳的设计与效能，并能加速上市时程。但另一方面，服务器架构上的分散式电源会造成功率的损耗。从48V移转到12V虽然可降低16倍的功耗，但须考虑效率的问题。
Vicor采取其经过验证的Factorized Power架构来解决此一问题。此架构舍弃了传统的多相电流，让48V能直接供电给CPU，而且仅需少数的元件。
Factorized Power架构包含两个主要元件，第一个是PRM(预稳压器模块)，利用其高效能的零电压切换(ZVS)拓朴仅处理预电压调节功能。第二个元件是VTM(电压转换模块)，利用弦波振幅转换(SAC)拓朴，将前一阶段调节好的电压转换至CPU所需的电压。
利用稳压、转换的两阶段的功能，便能使48V的转换达到与传统12V多相电流的效率。以整体系统效能来看，目前Vicor的Gen3++产品已可达到94%的效率，2018年将进一步推出效率95.5%的新产品。
Vicor近来的一个重要成功案例是纬颖科技(Wiwynn)在3月举行的OCP美国峰会上，预先展示了其48V服务器平台M1。此平台基于新一代Intel Xeon处理器，相较于传统的12V多相位方案相比，将采用Vicor的Factorized Power架构，确实实现了高转换效率、高功率密度及低配电损耗等特性。此外，利用Vicor解决方案，亦具备包括缩小CPU附近的电压转换区域占用面积、暂态效能以及尖峰值功率输出等效益。
Gendron表示，展望未来，高密度VTM不仅能有助于轻松地在CPU旁边布线，为了降低「最后一寸」的功率损失，还能进一步整合到CPU中。透过将VTM放置在CPU封装中，不但能免除VTM与CPU之间的线路，其他的效益还包括，简化CPU附近的布局／密度，并减少CPU的大部分电源接脚，让CPU I/O能有更多的灵活性与功能。目前Vicor已着手与处理器业者合作，朝此方向进展。
运用小型化高功率电源 创造差异化优势
Vicor现场应用工程师张仁程表示，随着电源架构的改变，电源解决方案也须满足宽广的输入范围与高输入电压、高输出功率、高效率、高密度、小尺寸、重量轻、以及散热少等各种需求。
据统计，在2010年，数据中心一年用掉2,500亿度电力，金额达350亿美元，占全球用电量约2%，而且数据中心将会是用电量成长最快的领域之一。估计2020年全美数据中心能源耗用将达到1,400亿度电力，特别是随着云端数据中心的快速发展，用电量将持续攀升，因此如何改善数据中心的效率已是刻不容缓。
Vicor的电源拓朴架构及封装散热创新技术，是能够以小型化方案实现高效率、高功率密度、以及低杂讯电源设计的重要关键。
在电路拓朴部分，Vicor主要有三种架构方案：第一是零电压切换稳压器(ZVS Regulator)，这是非隔离式的DC-DC稳压器，产品有预稳压器模块(PRM)、以及Cool-Power ZVS升压、降压以及升降压稳压器。
二是双箝位ZVS (DC-ZVS)，这是隔离式的DC-DC或AC-DC转换器，产品有DC转换器模块(DCM)、Cool-Power转换器、以及功率因素模块(PFM)；三是 弦波振幅转换器(SAC)，这是隔离式、固定比例的DC-DC变压器，产品有主线换换器模块(BCM)、中间主线转汇器(IBC)、以及电压转换器模块(VTM)等。
张仁程强调，Vicor的稳压器产品能在高输入电压下支持1MHz的运作频率，这意味着，开发人员可选用额定值较低的电感与电容等外部被动元件，而使整体系统的尺寸缩小。此外，透过我们特殊的ZVS拓朴设计，能使杂讯降低，这也是能实现精巧的产品尺寸的重要因素。
另一方面，封装技术也是Vicor产品的重要差异化优势。以其ChiP(Converter housed in Package；转换器级封装)为例，ChiP产品的设计在PCB两面都有功率组件，可减少寄生导致的损耗，因此不仅可对整个封装均匀彻底地散热，而且还可利用顶部与底部表现进行散热。
此外，ChiP封装在增强型模压化合物中，不仅可降低温差，而且还能更方便使用热管理配件，如散热器、冷却板和热管等，提供平整的模块顶部和底部表面。
另一款重要的封装技术为VIA(Vicor Integrated Adapter)，其中整合了滤波器，且外形精巧，宽度仅为35.5mm，长度范围为72？141mm，高度为9.3mm，具备业界领先的功率密度。Vicor可提供电路板安装或底座安装两种版本，可依需求最有效率地在适当位置安装组件。
VIA的高效率双面散热外壳可将热量从封装内的组件上下部散发，但只需从一面散热就可以，在最佳化散热的同时，可简化散热设计。让系统底座成为散热设计的一部分，并且在许多应用中无需用到风扇，因而可在提升系统可靠性的同时，进一步减少所需的空间。
张仁程介绍了Vicor一系列解决方案的多个成功应用案例，包括电视墙(Video Wall)改采48V电源分布的设计、家庭能源储存、无人机、电动车、轨道车辆、以及基站等多种应用。
48V新时代服务器电源解决方案
Vicor现场应用工程师杨有承详细介绍了Vicor的48V新时代服务器电源解决方案。事实上，48V架构在通讯领域已经采用很久，近年来由于CPU/GPU/ASIC等处理器的功耗升高，机柜功率已超过了15KW的临界值，甚至朝36KW发展。因此，在Google的积极推动下，开始了服务器朝48V架构移转的趋势。
相较于现行12V架构，电压升高4倍，在相同功率下，意味着电流仅为四分之一，因此功耗可降低16倍。此外，由于电流降低，所需的缆线线径也较小，可以显着降低所需的布线空间。
Vicor的48V直接到PoL方案主要包含一颗Cool-Power ZVS升降压稳压器，用来调节48V输入；一颗VTM转换器将调节过的48V输入电压转换为处理器所需的1V左右直流电压；另一颗为数码控制器，用来连结CPU与稳压器，以提供数码控制、自动量测(telemetry)以及与CPU通讯的功能。
就尺寸设计来看，在高密度服务器电路板上，空间是很宝贵的，在CPU周遭更是如此，因为需要大量的I/O绕线空间。但是，CPU的电源必须放置在附近。Vicor的解决方案仅需要将VTM元件放在CPU旁边，而PRM可放在PCB板的边缘。这与12V多相设计相比，不仅可节省50%的空间，而且还能显着降低杂讯，这是采用Vicor架构的另一个重要效益。
Vicor开发48V电源方案已有10年的历史，在此领域拥有领先地位。从2007年IBM的P6系统开始，到2017年的P9系统，都是用Vicor的解决方案。而针对Intel，则是从2011年的VR12.0开始支持，并一路随着版本更新，能够支持最新的VR13以及未来的VR14。此外，针对AMD、Cavium和NVIDIA等业者的CPU和GPU也都可以支持。
最后，杨有承介绍了Vicor的在线电源设计工具。Vicor PowerBench是一个工具和参考工作区，其中包含了电源系统设计工具、模拟、配置工具、以及白皮书、影片资源等丰富的内容，可以协助设计人员快速有效地进行电源系统设计。如有兴趣想进一步了解Vicor电源技术方案，可联系Vicor台北技术支持中心。详情请至Vicor官方网站查询。(李佳玲整理报导)
