PDN 的功能

PDN 旨在将大功率电源转换成特定的电压和电流，从而为系统中的多个负载供电。变换器
的工作需要在特性的温度范围内，满足负载的稳态和峰值供电需求。当电能从电源传输到
负载时 ，PDN 的性能按照功耗、其物理尺寸、重量和成本来衡量。

企业及高性能计算的高级系统、通信与网络基础设施、自动驾驶汽车以及大量交通运输应用只是需要更多电源的高增长产业中的几个。当 PDN采用 12V 时，这些负载及负载功耗不断增长的系统为实现高性能带来了复杂的设计挑战。将较高电压整合在PDN 中，会带来巨大的挑战，而且抵制变革的理由很充分。在某些情况下，几十年来已经建立了庞大的生态系统来支持行业的12V PDN。

主要的半导体、连接器及线缆产业与公司已围绕12伏 DC 网络的组件供应纷纷建立。这种供电网络出现在上世纪 60 年代的汽车市场。在汽车电源很快超过了 6V 电池所能提供的电源后，PDN改用 12V 电压。最初使用的是两个串联的 6V 电池。随着 12 伏电压成为大容量乘用车的标准，12 伏 PDN 组件迅速商品化，现已成了数十亿美元的市场，进入门槛很高。12 伏组件的大量供货，为 12 伏标准进入工业和计算机服务器市场起到了推波助澜的作用，而卡车市场则推动了 24V 标准进入更高功率的工业应用领域。

这段简短的历史，介绍了系统功率的提升推动了高性能供电网络的发展情况。供应链的成
本要求、多电源供电和风险带来了改变 PDN 的阻力。然而，这种阻力可能会成为系统性
能以及保持竞争优势的限制因素。

48V 的出现

电信行业使用 48V PDN 已有几十年了。48V 是最好的选项，因为：

• 它是安全超低电压 (SELV)
• 小型标准线可承载必须以极低压降远距离运行的电流
• “常开”要求促使该行业使用了 48V 大型可充电铅酸电池组

随着互联网、笔记本电脑和移动电话的出现，通信网络基础架构变得越来越复杂，利用现
有 48V PDN 基础架构为新设备供电，意义重大。然而，用 48V 电源为很多新型的复杂负
载，包括网络处理器、存储器、控制器供电是一项挑战。因为大多数现有技术主要集中在
12V 供电系统，并在该电压等级下对半导体转换器、稳压器件等做了精心优化。

为解决这个 48V 至 12V 问题，部署了一种名为中间母线架构 (IBA) 的架构，其很快成了通
信及网络基础架构应用中的事实标准。使用的这类母线转换器是非稳压固定比率 1:4 隔离
器件，建立在一个开放框架封装基础之上，符合 DOSA 和POLA 引脚分配标准，支持多
种电源。隔离不是 SELV IBA的安全要求，因为电池正极与接地相连，可阻止电蚀，带
来-48V 电压。将隔离式固定比率母线转换器用作 DC-DC 变压器，可使用 -48V 输入为下游负载点 (PoL) 稳压器提供+12V 输出。

电源系统工程师花大量时间来构建和优化供电网络，以提供高系统性能和高可靠性。如果
系统负载功耗较高，采用较高压为中间母线设计大容量供电，可减少电流 (I = P/V)、压降 (V = I • R) 和功耗 (P_LOSS = I²R)，从而可为 PDN 缩小尺寸，减轻重量并降低成本（线缆、母线排、连接器、主板铜箔电源层）。在转换为低压大电流之前 ，构建系统，最大限度延长较高电压的运行时间是一个巨大的优势。

每个行业（和应用）都是不同的，然而围绕特定 PDN 电压或架构（如 IBA）进行标准
化，会限制 PDN 性能的提高。在大多数情况下，通过新特性和新功能来超越和获得竞争
优势的需求可促进针对 PDN 的变革。例如，数据中心的人工智能 (AI) 等高级应用正在推
动数据中心从 12V 转向 48V 并从 IBA 转向新的架构。处理器及相关服务器机架功率级的
显著提升已超过 12V 所能达到的极限。

对于汽车市场而言，需要满足要求降低汽车 CO₂ 排放的管控标准，是探索汽车电气化的
催化剂。监管压力加上对更高车辆性能的要求，催生了 48V 电池，以支持最新轻度混合
动力传动系统、安全系统以及信息娱乐系统设计。

在大型 LED 显示系统中，线缆运行时间长、功率较高以及需要 SELV 等典型问题使得 48V PDN 成了这个新兴行业的标准。

更高电压的全新 PDN

许多 12V PDN 的设计都使用非常简单的 AC 至 12V、然后 12V 至 PoL 的两级结构。以
12V 蓄电池作为电源为例，大功率的配电系 统将 12V 分配给 PoL 和稳压器。

随着更高系统功率需求的出现，基于 380V 和 48V 的 PDN 现已变得更加复杂，因为许
多行业仍试图在负载点保留原有 12V PDN 基础架构。其它 PDN 挑战来自全新高压大
型电源，如纯电动汽车 (EV) 及高性能汽车 中的 800V 电池等。

在这些新系统及新应用中，PDN 可分为三个基本部分：

• 大型电源转换为 48V
• 先进行 48V 中间母线供电，然后进行 转换，有时候会稳压至 12V
• 负载点 (PoL) 供电在 12V 位置执行转 换并稳压

额外增加的 48V 至 12V 转换，会增加损 耗、PCB 空间和成本。但是，高压 PDN 的 供电优势，以及高压所带来的效率提升，超过了48V 转 12V 带来的损耗。此外，还有多种将 48V 直接转换给负载供电的模块化解决方案，采用不同的拓扑和体系，让两种供电方式都能实现最佳效果。

为大型供电实现创新

要为中间 48V PDN 的大型电源转换实现创新，主要看以下几个方面：

• 实现更高功率密度
• 使用模块化方法实现冗余并简化热管理
• 通过散热良好的平面封装实现高级散热技术
• 使用固定比率转换器

随着功率级的不断提高，大型电源系统设计的挑战现已变得越来越复杂。管理大型电源转
换器的尺寸和重量，并针对其因较高功耗带来的高温进行散热，是大多数应用关注的主要
方面。如果尺寸和重量不是问题，就可实现非常高的效率并可通过风扇散热实现热管理。

然而，大多数应用都需要提高功率密度。电源系统工程师应该考虑使用电源模块设计和构
建这些大型转换器的优势，而不是从头构建分立式设计。电源模块与创新架构、拓扑、控
制系统及封装相结合，可提供改善大型 PDN 性能的新方法。

如果大容量电源为 AC 或高压 DC，则需要隔离。在任何转换器中，隔离级都会增加功耗，
但如果中间母线 PDN 包含 PoL 级（即 48V 至 12V）的稳压，则可能不需要稳压。这种方法
有两个考虑因素：

• 电源的输入范围：固定比率转换器会根据其匝数比或 K 因数将该输入电压反映至输出，就像变压器一样
• 三相和单相 AC 电源需要功率因数校正 (PFC)。

利用固定比率转换器的高功率密度和高效率来改善大型电源转换器的尺寸和重量的另一种方法是将其用作转换和隔离级功能，其中 PFC 和稳压由前级完成。由于 BCM 输出阻抗的温度系数为正，因此固定比率转换器可轻松并联，实现高功率。

数据中心和百亿亿次计算通常需要在有限的空间内获得最大的处理能力，因此它们从高密度组件及高级散热技术中获得了极大的优势。在某些情况下，完全浸入式散热是在整个服务器布置在一个惰性液槽中的环境中实施的。另外，其它高性能计算应用也在使用通过热导管散
热技术和冷却板散热技术实现的散热技术。在这些应用中，需要一款纤薄的平面封装来为大型电源系统提供电源转换及稳压级。

中间母线及负载点供电的创新

要为 48V 中间母线 PDN 实现创新，主要看以下几个方面：

• 利用非隔离固定比率母线转换器实现 48V 至 12V 的转换 ƒ
• 部署高功率密度的稳压电源模块转换器 ƒ
• 结合 IBA 的不同架构，称之为分比式电源架构 (FPA™)