48等于新的12

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图2：有单相AC配电和12 V服务器主板的高密度计算机架示意图。

这些银盒独立工作，无需同步，导致其输入电流波形出现了更丰富的谐波含量。转换器的功率因数校正(PFC)电路可正确输入相对于输入电压波形的电流波形，但随着银盒制造商在努力提高功率转换效率，AC线路上的谐波含量也在不断增加[5]。

例如，那些符合80-Plus Gold认证的银盒可提供92%的峰值效率，产生其输入电流波形约5%的总谐波失真(THD)(相对于基波频率)。符合80-Plus Titanium认证的AC/DC转换器可提供96%的峰值效率，产生约12%的总谐波失真。

此外，银盒是异步操作，因此所产生的谐波电流与上游AC线相互作用，且通常在PDU或不间断电源(UPS)中的三相变压器内组合，从而产生更宽的中、低频谐波(几Hz到几kHz)。

*近的研究[5，6]表明，当一个线路变压器的电流波形的总谐波失真超过5%时，每增加2%的总谐波失真可产生额外1%的总功率损耗，通常发生在PDU(或UPS，或两者)中。对于一个为80-Plus Titanium AC-DC转换器供电的10 kW系统，正是由于电流总谐波失真的缘故，至少相当于PDU耗散了350 W。系统设计人员必须估计PDU的大小，以适应额外损耗，从而增加了机架的安装成本，并影响整个系统的可靠性。

*终，随着机架功率的持续增加，12 V配电开始出现更基本的问题。由于个别主板增加了内核、内存和I/O，细分(subdivide)电源的能力变得很有限，而实际和经济规模的母线和电源输入连接器的电流*大值会对整体机架密度产生负面的影响。在20 kW/机柜中，12 V电源架必须提供净1.7 kA，而机架供电要求并没有停滞不前。

48等于新的12

48 V配电设计在一些重要方面不同于超过配电方案操作潜力的12 V系统。*值得注意的是，48 V配电系统可以用一个400 V/480 V三相整流器来替代PDU变压器和银盒(原理图示例如图3所示)。一个现代整流器可产生约3%的总谐波失真，且很少超过5%，即使是在轻负载条件下。整流器数目的减少(由于较高的单位功率)和线路电流所消耗的本来就较低的谐波含量，导致系统级电流波形谐波要低得多。

图字：48 V电池

整流器

48 V电池

54 V服务器，700 W

整流器

图3：有54 V DC配电和集成短期备份的高密度计算机架示意图。

服务器运营商可以充分利用现有400 V/480 V三相AC至48 V DC设备的规模经济，这些设备已在电信和其他48 V应用中广泛使用。一个典型10 kW单元仅需2U(89 mm)的机架高度，即可提供≥97%的转换效率和<5%的总谐波失真。相比之下，400 V/480 V三相到12 V整流器是不实用的，因为它有非常高的电流输出。

导通损耗和导线尺寸的实际限制限制了电力可以经济地传输(基于12 V机架的系统)达到约5kW的距离。使用相同输电基础架构的48 V配电可以提供20 kW——足以从一个三相整流器为整个服务器机架供电。

消除了机架中单相AC的DC配电战略还简化了电池备份的实现：电池组不需要通过一台UPS逆变器来升频转换(up convert)，进而驱动AC-DC转换器。相反，48 V备用电池可以通过一个管理转换、电池充电、电池监测和状态报告的*小控制界面来驱动IT负载。

日益转向48 V配电要求系统设计人员重新思考自己的板电源(board-power)策略。有几个可以考虑的选项，不过也有一些比12 V设计使用的选项更简单和尺寸更小。一个例子是Vicor的符合48 V英特尔VR12.5标准的参考设计，它可以消除一个中间转换级。Vicor的方法避免了多相位转换拓扑结构，从而减少了元件数量，并有助于在流行的36-60 V电信电压范围实现直接连接电源(包括备份)。元件数量的减少和更小的储能要求允许设计人员让电源传送电路(power train)更靠近处理器，进而降低与PCB走线长度大致成正比的损耗和寄生电感。

对于处理器和内存之外的板上负载，单级降压预计将实现整个服务器板的48 V配电。随着越来越高的功率密度需求，散热设计成为了一个日益受到关注的问题。封装技术，如Vicor的转换器级封装(Converter housed in Package，ChiP)平台兼容了双面冷却，可以简化热-机械设计。

总体而言，48 V配电设计比12 V方案使用材料的更少。其机架级材料清单更短，需要的铜更少。利用Vicor的符合48 V英特尔VR12.5标准的解决方案，也避免了使用电解电容。净效应是更高的可靠性、更好的可扩展性和更高的功率密度。

今天，服务器群的电力需求从早年的1 kW/机架增加到了20 kW。数据流量趋势正在加速，预计在不久的将来需求将达到30 kW/机架。

在一段距离上的电流幅值和功率传递的实际限制迫使人们安装高密度服务器，从12 V配电转向48 V设计。这种转变带来的是12 V系统无法提供的好处。

当板上转换器直接以48 V运行时，48 V电源特别具有吸引力。这些拓扑结构可以减少元件数量、能量储存和损耗，同时提高可靠性。诸如ChiP的新的封装技术允许双面冷却并简化散热设计。

48 V DC配电提供了一个可以随预见的服务器部署规模提升的高功率密度。

Vicor

参考文献：

1. Digital Universe Study, IDC, Sponsored by EMC, December 2012.

2. Cisco Visual Networking Index： Forecast and Methodology, 2012-2017, Cisco Systems, May 2013.

3. Meeker, Mary and Liang Wu, Internet Trends D11 Conference (presentation), KPCB, May 29, 2013.

4. Surge in video will drive global data traffic to more than 60,000 Petabytes in 2016, ABIresearch, May 10, 2011.

5. Data Center power system harmonics： an overview of effects on data center efficiency and reliability, The Green Grid, 2013.

6. The cost of Harmonic Losses and mitigations in distribution systems, 18th International Conference on

Electricity Distribution, 6-9 June 2005.