MPS 48V 数据中心解决方案

概述

现代数据中心的每个机架平均提供 3kW - 5kW 的功率,为服务器、存储器和网络机架供电。大部分功率会供给基础 CPU,以确保其能高效率工作。因此,传统 12V 电源架构被广泛采用。

但随着云计算、人工智能应用以及大功率处理器和加速器需求的不断增长,数据中心也在不断发展以适应新的大功率需求。例如,早期 AI 市场超级计算机的整个电源系统需要 3200W 的功率。第二代 AI 的功率需求增长了三倍,使整个电源系统的总功率达到了 10kW。由于分配大电流时功率损耗随电流的平方 (I2R) 增大,必须在背板或走线中使用更多的铜来控制配电损耗。这样最终会限制系统的功率传输。

为了满足行业新的电源需求,MPS 开发了一种新型电源架构,它采用 48V 配电电压,能够将配电损耗降低 16 倍;另外还提供了 48V 数据中心解决方案,以应对新的设计挑战。

图 1: 传统的 12V 配电方案

MPS 48V 电源结构

48V 电源结构: MPS 新型 48V 至 4.8V 系统

图 2: 48V 电源结构 – MPS 4V 至 6V 系统

  • 总系统效率得到了极大优化
  • 第一级解决方案:MPS LLC 电源模块
    • 输入输出比 10:1
    • 提供各种功率等级
    • 可并联工作
  • 第二级解决方案:数字多相控制器+低压 Intelli-Phase™ 或 Intelli-Module
    • Intelli-Phase™ 系列提供额定值高达 90A 的连续电流
    • Intelli-Module 解决方案提供额定值高达 170A 的连续电流
  • 电熔丝

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横向供电与 Z 轴供电™

现代数据中心多采用横向供电系统,其电源稳压器通常放置在电路板顶部、处理器的周围。但随着 CPU 和 GPU 电流需求的不断增长,稳压器与负载点之间的距离成为造成 PDN 损耗的重要因素。此外,PDN 增加还意味着系统需要为稳压器提供更高的输出电容。

Z 轴供电™则将稳压器放置在 PCB 底部、处理器的下方。这种方法可以显著降低 PDN 损耗(超过 10 倍)。

横向供电 < 1000A

Z 轴供电™ > 1000A

MPS 提供的电源模块解决方案高度小于 4mm ,可以适应 PCB 底部有限的空间。

联系 MPS 了解有关 Z 轴供电™ EVB 的更多信息

第一级解决方案:电源模块

MPS 提供了多种第一级电源模块产品选项

10:1 IBC 模块

54V 至 5.4V

低开关损耗可实现更高频率的第二级功率级,从而允许使用更小、更短的电感

  • 适合 Z 轴供电™

MPS 的所有 IBC 模块都可并联运行,以实现大于 1kW 的功率水平。后续我们将提供包含更多详细信息的应用说明。

MPC1100C-54 - 高效率、非隔离式、固定比率、数字 DC/DC 300W 电源模块

MPC1100C-54 是一款开放框架数字 DC/DC 电源模块,连续功率高达 300W。 该模块支持高达 60V 的输入电压,并配置为 10:1 输入输出比。它提供多次可编程 (MTP) 数字控制器,可以轻松配置以快速启动系统并灵活适应系统需求。

图 3: MPC1100C-54

功能特性:

  • 输入电压范围:40V 至 60V
  • 10:1 输入输出比
  • 功率等级:高达 300W
  • 功率密度:1700W/in3
  • LLC 拓扑结构
  • 兼容串行接口
  • 支持并联操作
  • 内置 MTP 以存储自定义配置
    • 欠压锁定 (UVLO) 保护
    • VOUT 过压保护 (OVP) 和欠压保护 (UVP)
    • OCP_TDC/尖峰
    • 过温保护 (OTP)
  • 提供 GUI 配置软件
  • 适合大电流和高功率应用
  • 与 MPC1102-54 引脚对引脚兼容

尺寸
27mmx18mmx6.1mm

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MPC11057-54-0750 - 高效率、非隔离式、固定比率、数字 DC/DC 750W 电源模块

MPC11057-54-0750 是一款开放框架数字 DC/DC 电源模块,连续功率高达 750W(见图 4)。该模块支持高达 60V 的输入电压,并配置为 10:1 输入输出比。它提供多次可编程 (MTP) 数字控制器,可以轻松配置以快速启动系统并灵活地适应系统需求。


图 4: MPC11057-54-0750-xxxx

功能特性:

  • 输入电压范围:40V 至 60V
  • 10:1 输入输出比
  • 功率等级:高达 750W
  • 功率密度: 1840W/in3
  • LLC 拓扑结构
  • 兼容串行接口
  • 内置 MTP 以存储自定义配置
    • VIN 欠压锁定 (UVLO) 保护
    • VOUT 过压保护 (OVP) 和欠压保护 (UVP)
    • OCP_TDC/尖峰
    • 过温保护 (OTP)
  • 提供 GUI 配置软件
  • 适合大电流和高功率应用

尺寸
53mmx18mmx7mm

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MPC12106-54-0750 - 高效率、非隔离式、固定比率、数字 DC/DC 800W 电源模块

The MPC12106-54-0750 是一款开放框架数字 DC/DC 电源模块,具有高达 800W 的连续功率。该模块支持高达 60V 的输入电压,并配置为 4:1 输入输出比。它提供多次可编程 (MTP) 数字控制器,可以轻松配置以快速启动系统并灵活地适应系统需求。


图 5: MPC12106-54-0750

功能特性:

  • 输入电压范围:40V 至 60V
  • 4:1 输入输出比
  • 功率等级:高达 800W
  • 功率密度:3310W/in3
  • LLC 拓扑结构
  • 兼容串行接口
  • 内置 MTP 以存储自定义配置
    • VIN 欠压锁定 (UVLO) 保护
    • VOUT 过压保护 (OVP) 和欠压保护 (UVP)
    • OCP_TDC/尖峰
    • 过温保护 (OTP)
  • 提供 GUI 配置软件
  • 适合大电流和高功率应用

尺寸
24mmx18mmx8.6mm

第二级解决方案:数字多相控制器 + Intelli-Phase™ 或 Intelli-Module

MPS 拥有功能强大的数字多相控制器产品组合以及 Intelli-Phase™ 和 Intelli-Module 解决方案。更多信息请访问:https://www.monolithicpower.cn/cn/products/ power-management/data-center.html

图 7: 第二级数字多相控制器 + Intelli-Phase™ 或 Intelli-Module 功能框图

  • 数字多相控制器功能特性:

    • 恒定导通时间 (COT) 控制
    • 多回路,灵活相位分配
    • 多接口选项:SVID、SVI2/3、OVR 或串行接口
    • 故障处理和遥测功能
  • Intelli-Phase™ 功能特性:

    • 从 10A 到 90A 的产品系列范围
    • 宽 fsw 范围:瞬态与效率之间的平衡
    • 内置 ZCD、OCP、NOCP、OTP 和 SCP
    • 尽可能减少了外部元器件
  • 功能特性:

    • 实现空间受限应用的高功率密度
    • 灵活的输出分配
    • 支持并联运行以获得更高的功率输出
    • 优化了顶部冷却
电源结构 产品类别 产品型号 产品描述
12V & MPS 新型 4V 至 6V 电源结构 数字多相控制器 MP2888A 单回路、10 相多相控制器
MP2882 (联系 MPS 以获取样品) 双回路、16 相数字多相控制器
MP2972 (联系 MPS 以获取样品) 双回路、12 相数字多相控制器
12V 电源结构 DrMOS Intelli-Module MP87006 16V、90A Intelli-Phase™,采用 4mm x 6mm 封装
MP87000 16V、90A Intelli-PhaseTM,采用 5mm x 6mm 封装
MPC22163 (联系 MPS 以获取样品) 16V、130A Intelli-Module,占位 9mm x 10mm x 8mm
MPC22164 (联系 MPS 以获取样品) 16V、130A Intelli-Module,占位 9mm x 10mm x 4mm
MPS 新型 4V 至 6V 电源结构 DrMOS MP86972(联系 MPS 以获取样品) 12V、60A Intelli-PhaseTM ,采用 3mm x 6mm 封装
MP86976 (联系 MPS 以获取样品) 7V、70A Intelli-PhaseTM,采用 3mm x 6mm 封装

MPC22163-130 - 采用 Quiet SwitcherTM 技术的双相 Intelli-Module

The MPC22163 是一款非隔离式降压电源模块,具有 130A 的连续峰值输出电流。 该模块将驱动器 MOSFET 和电感集成在一个紧凑的封装中,节省了布局空间并实现了更高的功率密度。MPC22163 支持多个模块并联运行,功率可扩展至高于 2kW。 其 8mm 的最大高度适用于多种应用,例如 OAM 外形尺寸底板。


图 8: MP22163-130

产品特性:

  • 输入电压范围:4V 至 17V
  • 输出电压范围:0.5V 至 2V
  • 130A 输出电流
  • 顶部冷却封装
  • 电流采样技术:Accu-SenseTM
  • 温度采样
  • 限流保护
  • 支持并联操作
  • 过温保护 (OTP)
  • 故障报告
  • 通用封装:LGA-72 (9mmx10mm)

尺寸
9mmx10mmx7.5mm

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MPC22166-130 - 采用 Quiet SwitcherTM 技术的双相智能模块

The MPC22166 是一款非隔离式降压电源模块,具有 130A 的连续峰值输出电流。 该模块将驱动器 MOSFET 和电感集成在一个紧凑的封装中,节省了布局空间并实现了更高的功率密度。MPC22166 支持多个模块并联运行,功率可高达 2kW+。其 4mm 的最大高度适用于多种应用,例如 Z 轴供电™ 和 PCIe 外形尺寸板。


图 9: MP22166-130

功能特性:

  • 输入电压范围:4V 至 16V
  • 输出电压范围:0.5V 至 2V
  • 130A 输出电流
  • 顶部冷却封装
  • 电流采样技术:Accu-SenseTM
  • 温度采样
  • 限流保护
  • 支持并联操作
  • 过温保护 (OTP)
  • 故障报告
  • 通用封装:LGA-72 (9mmx10mm)
  • 超低高度:最大 4mm
  • 与 MPC22163 引脚对引脚兼容

尺寸
9mmx9.9mmx3.9mm

MPC22167 - 采用 Quiet SwitcherTM 技术的 130A、双相、Intelli-ModuleTM

The MPC22167 是一款非隔离式降压电源模块,具有 130A 的连续峰值输出电流。 该模块将驱动器 MOSFET 和电感集成在一个紧凑的封装中,节省了电路板空间并实现了更高的功率密度。MPC22167 支持多个模块并联运行,功率可高于 2kW。其 8mm 的最大高度适用于广泛的应用,例如 OAM 外形尺寸板。

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图 10: MPC22167

功能特性:

  • 输入电压范围:10V 至 16V
  • 输出电压范围:0.5V 至 2V
  • 130A 输出电流
  • 顶部冷却封装
  • 电流采样技术:Accu-SenseTM
  • 温度采样
  • 限流保护
  • 支持并联操作
  • 过温保护 (OTP)
  • 故障报告
  • 通用封装:LGA-72 (9mmx10mm)

尺寸
9mmx9.9mmx7.65mm

MP2891 - 双回路、OVR4i + 16 相控制器

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封装: QFN-56 (7mmx7mm)

功能特性:

  • 超高相位数
    • 双回路、16 相控制器,能为 NVIDIA PWM-VID 核心供电
    • 电源轨 1 最多 16 相,电源轨 2 最多 8 相
  • 数字控制
    • 数字环路补偿和负载线调节
    • 非线性控制降低了对瞬态输出电容的要求
  • 数字可配置性与监控功能
    • 兼容串行接口
    • VOUT、IOUT、VIN、PIN 和温度遥测
    • Intelli-PhaseTM 故障诊断
    • 集成 NVM 以存储 VR 配置并实现黑盒功能
  • 设计灵活性
    • 开关频率高达 3MHz
    • 自动切相提高轻载效率
    • 可调电压、电流和温度保护

MPQ8645P – 带串行接口的 16V、30A、可扩展、数字、同步降压变换器

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封装: TQFN-25 (4mmx5mm)
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功能特性:

  • 数字负载点 (POL)
    • VOUT、IOUT、VIN、PIN 和温度遥测功能
    • 丰富的可选功能
    • 用于保存配置的 NVM,用户可访问
  • 高度灵活性,可用于多电源轨系统
    • 可扩展至 8 相
    • 输入电压范围:3.1V 至 16V
    • 支持 3.3V、5V 和 12V 输入
    • 支持零 ESR、MLCC 输出电容
    • 可调限流功能让电感选型更加灵活
  • 自适应恒定导通时间控制
    • 最大限度减少了所需输出电容数量
    • 0.5% 参考电压精度

MP5048 – 60V, 15A, 7mΩ RDS(ON) 热插拔 Intelli-Fuse 解决方案

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封装: QFN-30 (5mmx5mm)
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功能特性:

  • 具有业界更高电流的 60V 电熔丝
  • 高度灵活性,可用于多相系统
    • 输入电压范围:24V 至 60V
    • 可独立运行,也可并联操作以实现扩展
    • 可调输出电压软启动实现了浪涌电流控制
    • 1.5% 的 IMON 报告精度实现了精确的系统功率报告
  • 全面的支持保护功能
    • 可调过流保护 (OCP) 限制
    • 精确的片上温度采样和过温关断保护
    • 引脚可配置闭锁和打嗝保护
    • 故障引脚指示(FLTB)

第二级模块与传统分立式解决方案

当今社会对 CPU 和 GPU 的电流需求不断增长,封装尺寸也不断扩大,设计人员通常只剩有限的电路板区域来安装多相稳压器 (VR)。采用 Intelli-Module 方案的 VR 设计可以将功率密度提高 2.5 倍,并允许将稳压器放置在更靠近处理器的位置,以减少 PDN 损耗。

OAM 外形尺寸电源解决方案

MPS 遵循常见设计的 OCP 标准提供端到端的电源解决方案,例如 OAM 外形尺寸。本参考设计(最大 2000A)将展示这些功能,并采用我们的 4:1 第一级模块和第二级 Intelli-Module。

2000A 参考设计

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规格:

  • 54V 输入电压,0.8V 标称输出电压
  • 1000A 输出电流,最大 2000A
  • 用于瞬态测试的嵌入式负载冲击器
  • 第二级采用 MP2891 16 相控制器和 MPC22167(与上一代模块产品 MPC22163 采用同一通用封装,并具有更高的效率)
  • 现已提供 2000A EVB 样品

AI 加速卡

  • OAM
  • SXM

助力电源解决方案适应 AI 处理器不断增长的电流需求

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