データセンター用48V
概要
今日のデータセンターは電力サーバー、ストレージ、ネットワークラックにつき、ラックごとに平均3kWから5kWの電力を使用しています。そのほとんどが、高いレベルの効率で基本のCPUを動かすように設計されています。このように、従来の12Vの電力アーキテクチャは、広く受け入れられ、実装されてきました。
クラウドコンピューティング、AIアプリケーション、および高電力のプロセッサやアクセラレータの需要が高まるにつれ、データセンターは新しい高電力要件に適応するため、進化してきました。例えば、初期のAI市場向けのスーパーコンピュータはすべての電力システムをカバーするのに3200W必要でした。第2世代の電力需要は3倍となり、すべての電力システムで10kW必要になりました。高電流を配電するうえでの電力損失は電流の2乗に比例して増加するので (I2R)、電力損失を避けるため、バックプレーンやワイヤハーネスでより多くの銅が使用されることになります。最終的に、これはシステムの電力供給を制限します。
業界の新しい電力要件に応えるため、MPSは配電損失において16xの削減を可能にする48Vの配電電圧を使用し、新しい設計のチャレンジに対処するための48Vのデータセンターソリューションを提示することで、新しい電力アーキテクチャを開発しました。
図1: 従来の12V配電
MPSの48V電力構造
48V電力構造: 新しい48Vから4.8Vのシステム
図2: 48Vの電力構造 - MPSの4Vから6Vのシステム
- システム全体の効率が大幅に最適化
- 第1段階のソリューション: MPS LLC電源モジュール
- 10:1の入出力比
- さまざまな電力レベルで利用可能
- 並列動作
- 第2段階のソリューション: デジタルマルチフェーズコントローラ + 低電圧のIntelli-Phase™
- 低電圧のIntelli-Phase™ICは、MPS独自のフットプリントでソリューション全体のサイズを縮小するのに役立ちます。
Intelli-Phase™は、MPSの最先端の電力段です。MPSのDrMOSはMPS独自のモノリシックプロセスを採用して劇的にパフォーマンスを向上しており、電流検出、温度検出、および故障報告といった最新の機能を併せもっています。
MPSの48V電力構造: 12Vのシステムに再活用
図3: 48Vの電力構造 – MPSの10Vから15Vシステム
Intelli-Module: Intelli-Module第2段階ソリューション用のMPSの最新のオープンフレーム電源モジュールです。Intelli-Moduleは高い電力密度を実現し、スペースの限られたアプリケーションでの熱特性を最適化します。
- 既存の12Vシステムで再利用できるため、48Vへのマイグレーションが最も容易な方法
- 第1段階のソリューション: MPS LLC電源モジュール、4:1の入出力比または4:1のSTCトポロジー
- 第2段階のソリューション: デジタルマルチフェーズコントローラ + Intelli-ModuleまたはIntelli-Phase™
- Intelli-Phase™ファミリは、連続定格電流がICにつき最大90A
- Intell-Phase™製品は共通のフットプリントまたはMPS独自のフットプリントであるMPS 48V Power Structureで提供
- Intelli-Moduleは、連続定格電流がICにつき最大120A
48Vから12Vへの移行のためのトポロジー
48Vから12Vへの移行のためのトポロジーとしてよく見られる2つのトポロジーは、LLCとSTCです。LLC (インダクタ - インダクタ - コンデンサ) は、2つのインダクタと1つのコンデンサで構成された共振トポロジーです。メインスイッチのゼロ電流スイッチングができるため、劇的にスイッチング損失をを下げ、効率を引き上げます。LLC共振コンバータについては以下の例をご覧ください。
STC (スイッチタンクコンデンサ) は、もう一つの共振トポロジーで、主に48V入力から12V出力へ降圧するのにコンデンサネットワークを使用します。STCについては以下の例をご覧ください。
図4: LLCコンバータ
| LLCとSTCの比較 | |
|---|---|
| LLC | STC |
| あらゆる電流 / 電力アプリケーションに適する | 500Wより低いアプリケーションに適する |
|
全体的な性能: - 高い電力密度 - 低いPDN損失 - 10:1の電力を使用するときに効率良し |
全体的な性能: - 低い電力密度 - より高いPDN損失 - 4:1のLLC電源モジュールと同程度の効率 |
| 拡張性と互換性 | よく理解されたトポロジー |
| より小さめなソリューションサイズ | より大きめなソリューションサイズ |
| LLCとSTCの比較 |
|---|
| LLC |
| あらゆる電流 / 電力アプリケーションに適する |
|
全体的な性能: - 高い電力密度 - 低いPDN損失 - 10:1の電力を使用するときに効率良し |
| 拡張性と互換性 |
| より小さめなソリューションサイズ |
| STC |
| 500Wより低いアプリケーションに適する |
|
全体的な性能: - 低い電力密度 - より高いPDN損失 - 4:1のLLC電源モジュールと同程度の効率 |
| よく理解されたトポロジー |
| より大きめなソリューションサイズ |
第1段階のソリューション: 電源モジュール
MPC1100A-54 - 高効率、非絶縁、固定比率、デジタルDC/DC 300W電源モジュール
MPC1100A-54は、最大300W連続出力のオープンフレームデジタルDC/DC電源モジュールです。このモジュールは最大60Vの入力を受け付け、10:1の入出力比で調整されています。複数回書き込み可能 (MTP: multiple-time programability) なデジタルコントローラを内蔵しており、すばやくシステムを稼働し、機敏にシステム要件に合わせることができます。
図6: MPC1100A-54-xxxx
MPC1102-54 - 高効率、非絶縁、固定比率デジタルDC/DC 500W電源モジュール
MPC1102-54は、最大500W連続出力のオープンフレームのデジタル電源モジュールです。このモジュールは最大60Vの入力を受け付け、10:1の入出力比で調整されています。複数回書き込み可能 (MTP: multiple-time programability) なデジタルコントローラを内蔵しており、すばやくシステムを稼働し、機敏にシステム要件に合わせることができます。
図7: MPC1102-54-xxxx
MPC11057-54-0750 - 高効率、非絶縁、固定比率デジタルDC/DC 750W電源モジュール
MPC11057-54-0750は、最大750W連続出力のオープンフレームのデジタル電源モジュールです。このモジュールは最大60Vの入力を受け付け、10:1の入出力比で調整されています。複数回書き込み可能 (MTP: multiple-time programability) なデジタルコントローラを内蔵しており、すばやくシステムを稼働し、機敏にシステム要件に合わせることができます。
図8: MPC11057-54-0750-xxxx
MPC12106-54-0750 - 高効率、非絶縁、固定比率デジタルDC/DC 750W電源モジュール
MPC12106-54-0750は、最大750W連続出力のオープンフレームのデジタル電源モジュールです。このモジュールは最大60Vの入力を受け付け、4:1の入出力比で調整されています。複数回書き込み可能 (MTP: multiple-time programability) なデジタルコントローラを内蔵しており、すばやくシステムを稼働し、機敏にシステム要件に合わせることができます。
第2段階のソリューション: デジタルマルチフェーズコントローラ + Intelli-Phase™またはIntelli-Module
MPSはデジタルマルチフェーズコントローラとIntelli-Phase™ソリューションにおいて堅牢な製品ポートフォリオを展開しています。詳細はサーバー / 通信のページをご参照ください。
図9: 第2段階におけるデジタルマルチフェーズコントローラ + Intell-Phase™を使用したブロック図
- デジタルマルチフェーズコントローラの特長:
- 特許取得済みのコンスタントオンタイム (COT) 制御
- マルチループ、フレキシブルな位相割り当て
- 選べるインタフェース: SVIC、SVI2/3、OVR、AVSBus、PMBus
- 故障処理とテレメトリが利用可能
- Intelli-Phaseの特長:
- 10Aから90Aまでの製品ラインナップ
- 広いスイッチング周波数範囲: 過渡電流と効率間でバランス
- ZCD、OCP、NOCP、OTPおよびSCP内蔵
- 最小限の外部部品
- Intelli-Moduleの特長:
- スペースの限られたアプリケーションで高い電力密度を実現
- フレキシブルな出力割り当て
- より高いパワーデリバリには並列動作で対応
| 製品情報 | |||
|---|---|---|---|
| 電力構成 | 製品タイプ | 製品型番 | 詳細 |
| 12VおよびMPSの新しい4V～6Vアーキテクチャ | デジタルマルチフェーズコントローラ |
MP2882 (サンプルのご依頼) MP2973 (サンプルのご依頼) |
シングルループ、10フェーズマルチフェーズコントローラ デュアルループ、16フェーズデジタルマルチフェーズコントローラ デュアルループ、12フェーズデジタルマルチフェーズコントローラ |
|
12Vアーキテクチャ |
Intelli-Phase™ Intelli-Module |
MP86956 MP86936 |
16V、70A Intelli-Phase、5mm x 6mmパッケージ 16V、70A Intelli-Phase、3mm x 6mmパッケージ 16V、120A Intelli-Module、9mm x 10mmフットプリント |
| MPSの新しい4V～6Vアーキテクチャ | Intelli-Phase™ |
MP86972 (サンプルのご依頼) MP86976 (サンプルのご依頼) |
12V、60A Intelli-Phase、3mm x 6mmパッケージ 7V、70A Intelli-Phase、3mmx6mmパッケージ |
| 製品情報 | |
|---|---|
| 電力構成 | 12VおよびMPSの新しい4V～6Vアーキテクチャ |
| 製品の種類 | 詳細 |
| Digital multi-phase controller |
Single-loop, 10-phase multi-phase controller MP2882 Dual-loop, 16-phase digiatal mult-phase controller MP2973 Dual-loop, 12-phase digital multi-phase controller |
| Power Structure | 12V legacy architecture |
| Type of Product | Part Description |
|
Intelli-PhaseTM |
MP86956 16V, 70A Intelli-Phase in 5mmx6mm package MP86936 16V, 60A Intelli-Phase in 3mmx6mm package |
| Power Structure | MPS's new 4V to 6V architecture |
| Type of Product | Part Description |
| Intelli-PhaseTM |
MP86972 12V, 60A Intelli-Phase in 3mmx6mm package MP86976 7V, 70A Intelli-Phase in 3mmx6mm package |
MPSの48Vデータセンターソリューション
- 決定ポイント:
- 48Vのパワーアーキテクチャを使用して完全な再設計
- 12Vから24V電力構成へ移行または
- 現行の12Vアーキテクチャに再利用
MPSは業界の新しい、要求の激しい電力要件に対応するため、包括的な製品ポートフォリオを開発しました。MPSの48Vデータセンターソリューションは、配電ロスを解決し、スペースが限られた環境でも電力密度と効率を高く保つよう設計されています。以下の表は、さまざまなトポロジーを採用している600W、20フェーズのマルチフェーズ電源設計の48V電力構成を要約したものです。
| 製品情報 | ||||||||
|---|---|---|---|---|---|---|---|---|
| 電力構成 | トポロジー | サイズ (mm2) | 電力密度 (W/in3) | PDN抵抗 (μΩ) | PDN損失 @600W (W) | 第1段階での効率 @600W | 第2段階での効率 @600W | トータル効率 @600W (PDN損失を含む) |
| 12Vアーキテクチャ | 4:1 LLC + 20フェーズ 5mm x 6mm Intelli-Phase™ |
4240 |
91.3 |
200 |
72 |
48Vから12V: 92.0% |
12Vから0.8V: 92.0% |
48Vから0.8V: 81.4% |
| MPSの新しい4V～6Vアーキテクチャ | 10:1 LLC + 20フェーズ 3mm x 6mm Intelli-Phase™ |
1972 |
196.3 |
50 |
18 |
48Vから4.8V: 97.4% |
4.8Vから0.8V: 91.1% |
48Vから0.8V: 86.4% |
| Product Info. | ||||||||
|---|---|---|---|---|---|---|---|---|
| Power Structure | 12V legacy architecture | MPS's new 4V to 6V architecture | ||||||
| Topology | 4:1 LLC+ 20-phase 5mmx6mm Intelli-PhaseTM | 10:1 LLC+ 20-phase 3mmx6mm Intelli-PhaseTM | ||||||
| Total size (mm2) |
4240 |
1972 |
||||||
| Power Density (W/in3) |
91.3 |
196.3 |
||||||
| PDN Resistance (μΩ) |
200 |
50 |
||||||
| PDN Loss @600W (W) |
72 |
18 |
||||||
| First-Stage Efficiency @600W |
48V to 12V: 92.0% |
48V to 4.8V: 97.4% |
||||||
| Second-Stage Efficiency @600W |
12V to 0.8V: 92.0% |
48V to 0.8V: 91.1% |
||||||
| Total Efficiency@600W (including PDN loss) |
2V to 0.8V: 81.4% |
48V to 0.8V: 86.4% |
||||||
その他の48Vデータセンターソリューション用製品
高電流および高電力アプリケーションへの対応に加え、MPSでは、48Vデータセンター用設計が必要なより広い範囲の電力アプリケーションを実現するためのPoL (Point-of-Load) ステップダウンコンバータやIntelli-Fuseのような保護ICを含む、多数の製品ポートフォリオをご用意しています。
図10: 48Vデータセンター設計用のMPSの電源IC
| 製品情報 | ||
|---|---|---|
| 製品タイプ | 製品型番 | 詳細 |
| PoLステップダウンコンバータ |
MP9940B (サンプルのご依頼) |
16V、30A、スケーラブル、デジタル、同期整流ステップダウンコンバータ、PMBus付き VR13およびIMP8/9用、デジタル、15A、SVIDステップダウンコンバータ、PMBus付き 16V、12A / 20A、高効率、同期整流ステップダウンコンバータ、調整可能電流制限、プログラム可能周波数、電圧トラッキング付き 16V、6A、高効率、同期整流ステップダウンコンバータ、調整可能な電流制限付き |
| Intelli-Fuse |
60V、15A、7mΩ ホットスワップIntelli-Fuseソリューション 16V、50A、1mΩ RDS(ON) ホットスワップIntelli-Fuseソシューション 16V、50A、1.1mΩ ホットスワップIntelli-Fuseソリューション、PMBus付き |
|
| Product Info. | ||
|---|---|---|
| Type of Product | Part Description | |
| Point-of-load (PoL) step-down converter |
16v, 30A, scalable, digital, synchronous step-down converter with PMBus MP9940B Digital, 15A, SVID step-down converter with PMBus for VR13 and IMVP8/9 16V, 12A/20A, high-efficiency, sychronous step-down converter with adjustable current limi, programmable frequency, and voltage tracking 16V, 6A, high-efficiency, sychronous step-down converter with adjustable current limit |
|
| Intelli-Fuse |
MP5048 60V, 15A, 7mΩ hot-swap Intelli-Fuse solution 16V, 50A, 1mΩ RDS(ON) hot-swap Intelli-Fuse solution 16V, 50A, 1.1mΩ hot-swap Intelli-Fuse solution with PMBus |
|
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