电源转换对设计人员来说是一个极具挑战性的领域，尤其是在当今这个对成本高度敏感的世界。他们不仅要设计出密度更高的解决方案，在更小的空间内榨取更多能量，而且这些解决方案还必须比上一代产品更高效、更经济。.
众多原始设备制造商 (OEM) 都将解决方案的效率作为其竞争优势的基石，因此，实现这些具有挑战性且有时相互冲突的目标与企业的成功息息相关。多年来，为了实现更高的效率和更低的成本，电力电子行业开发并应用了多种架构。.
直接转换在多个关键领域具有优势——更高的转换效率、更低的电源损耗、节省电路板空间以及符合开放式机架V2.0标准。本文将重点关注效率，并探讨当前最先进的电源架构，以及一个致力于为依赖高效且免费电源解决方案的OEM厂商提供更多选择和灵活性的全新组织。.
多年前，设计人员的工作要简单得多，当时大多数半导体器件只需要一个5V电源。那时，电源只需要提供可靠且相对干净的5V电源轨，能够满足系统内所有器件的需求。最常见的架构是单个中央电源单元（PSU），或者在对可靠性要求较高的系统中，可能会采用冗余电源单元配置。.
20世纪90年代和21世纪初，情况开始发生变化，这主要是由于逻辑器件需要不同的工作电压。随着多路电源轨的需求增加，效率问题也成为人们热议的话题，一种新的方法应运而生。转换器根据其尺寸进行分类——全砖、半砖、四分之一砖或八分之一砖——并使用多个隔离式转换器将48V直流母线转换为半导体所需的电压。.
十年后（这个时间线并不明确；实际上，这也发生在世纪之交之后），中间总线架构（IBA）被提出，并在数据通信、数据中心和电信等众多应用中得到广泛应用。该架构的主要目标之一是将隔离功能集中到一个总线转换器中，从而减少多个隔离转换器的体积。其中一些中间总线转换器（IBC）也被称为‘比率转换器’，因为它们的特性可以用输入电压和输出电压的比率来表征。许多IBC至少具有半稳压功能，以便为除负载点（PoL）转换器之外的其他设备（例如风扇）提供足够稳定的电压。.
顾名思义，PoL转换器在物理上靠近负载（通常是微处理器、FPGA、ASIC、存储器或其他数字IC）放置，以最大限度地减少噪声，并通过缩短低电压、高电流路径来减少损耗，降低去耦电容，并改善对负载瞬态的响应。.
海量数据增加了对更高效电力解决方案的需求
近年来，由于移动设备的蓬勃发展，尤其是高带宽视频内容的激增，数据流量显著增长。爱立信预测，2017年至2022年间，这些数据预计将增长十倍。.
与此同时，刀片服务器所需的功率也随之上升，目前已超过1kW，预计未来几年内将超过3kW。尽管移动设备的数量正以惊人的速度增长，但对处理能力的巨大提升以及对系统效率的日益重视，更多地源于大数据、人工智能、物联网设备、自动驾驶汽车等诸多因素带来的数据需求。.
由于能源价格已经很高，而且预计还会继续上涨，运营能源成本也在持续攀升。每一瓦因低效的电力转换而转化为热量，都会增加成本。更糟糕的是，这些热量还需要进行处理——这会增加系统体积、重量和成本（例如系统内冷却），同时也需要建筑物内安装功率更大的空调系统，而这些系统本身也需要成本。.
因此，即使电力转换效率的提升幅度相对较小，也能为数据中心和电信运营商带来显著的规模和成本节省。.
直接功率转换可提高效率
虽然采用两级转换式IBA有很多优点，例如成本和空间优势，但它也会对效率产生影响。直到最近，IBA的其他优点还足以弥补效率上的不足，但正如我们所见，更高的功率水平和不断上涨的能源成本正在改变这种局面。.
通常情况下，48V 转 12V (4:1) 的 IBC 转换效率约为 96%，而 PoL 转换器可以将 12V 转换为 1V 供负载使用，效率约为 90%。将这两个值结合起来，IBA 的整体转换效率约为 86.4%。使用传统技术，对于一台 1kW 的服务器，这将导致约 157W 的功率损耗；而对于一台功耗约为 3.2kW 的服务器，功率损耗则约为 500W。如果 48V 转 12V 转换级采用 98% 的效率，那么一台 1kW 的服务器仍将消耗 137W 的功率，而一台 3.2kW 的服务器将消耗 438W 的功率。.
如今的单级功率模块能够一步完成 48V 到 1V 的转换（即‘直接转换’），效率可达 91% 或更高。在这种情况下，3.2kW 的服务器主板仅会产生 315W 的功率损耗，降低了 37%，相当于节省了 185W 的浪费功率。虽然效率提升‘仅’为 4.6 个百分点，但在拥有成百上千台服务器的现代数据中心中，节省的电量却非常可观，能够显著降低运营成本。.
图 1：直接转换比 IBA 两阶段转换更高效。
自IBA问世以来，随着电源转换技术的进步，目前已开发出能够将48V总线直接高效地转换为亚伏逻辑电平的紧凑型拓扑结构。这些现代器件工作在高频，具有出色的瞬态响应，通常所需的去耦电容也更小，同时还能以极低的占空比工作，从而实现将48V直接转换为约1.0V的转换。.
尽管直接转换是行业发展的关键趋势，但情况不会在一夜之间发生改变。至少在可预见的未来，新型器件将与传统的两级转换方案并存。在此期间，电源系统设计人员可以选择最佳方案——实际上，将两种方案结合起来，形成一种兼具两者优势的‘混合’架构，或许是最佳选择。.
新联盟加速单级转换标准化
由于人们对单级转换将成为数据中心和电信基础设施下一代电源解决方案的重要组成部分充满信心，电源模块行业的四家主要企业联合成立了一个新的联盟，专门致力于推广直接转换的优势。.
电源印章联盟 (PSA) 于今年早些时候成立，Flex 是该组织的创始成员之一。PSA 的主要目标是为标准直转换电源模块提供多源采购方案。为了实现这一目标，PSA 制定了规范，定义了 100A 直转换模块（称为‘电源印章’）的尺寸和接口功能，使 PSA 成员公司能够确定其电气性能。.
电源模块有两种类型：主模块本质上是‘控制器’，包含控制逻辑；卫星模块则根据需要提供电源。所有模块均采用直接转换方式，并且相互隔离。.
图 2：PSA 架构基于多个直接转换模块
在系统层面，PSA架构基于100A功率模块，系统最多可配置六个模块（一个主模块和最多五个卫星模块），使其具备600A的供电能力。如果在运行过程中电流需求下降，内置控制功能将自动禁用卫星模块，从而确保在100A至600A的宽电流范围内实现最佳效率。.
概括
由于需要处理、传输和存储的数据量不断增长，加上能源成本的不断攀升，电源转换效率比以往任何时候都更加引人注目。通过持续的研发和技术改进，母线电压到负载电压的直接转换如今已成为一种可行的选择，并且由于其相比IBA等技术的诸多优势，业内许多人士认为这代表了未来高要求应用的发展方向。事实上，直接转换不仅提高了转换过程的效率，而且通过分配48V电压而非12V电压，显著降低了系统损耗。由于废热减少，热管理需求也随之降低，从而节省了空间和重量——此外，由于无需使用IBC，进一步节省了空间。.
由于缺乏替代资源，新架构的采用往往较为缓慢，而直接转换有望实现更快的采用率，从而确保在早期阶段就能获得来自多个独立供应商的可互操作产品，使客户能够以最小的商业风险采用新方法。.