数据中心需要高功率密度，而要以高效率实现这一目标，就需要在转换器和总线架构、封装以及半导体功率器件方面进行创新。本文总结了一款适用于高功率数据中心的1500安培、48V转1V负载点转换器。

开关电容转换器

开关电容转换器仅使用开关和电容来实现能量和电荷的传输，同时按比例调整输入和输出之间的电压。图1展示了一个基本的2:1开关电容转换器原理图。

图1

开关S1和S2以互补方式工作，使开关电容Cswitch充电至Vin/Vout并放电至Vout。输出电容Co有助于维持恒定的输出电压，而在50%占空比下的电荷平衡使得Iout = 2 × Iin。

磁性元件在转换器总体积中占了很大一部分。减小转换器中无源电感器和电容器尺寸的一种方法是提高开关频率。然而，这会带来半导体器件中更高的开关损耗，以及电感器的绕组和磁芯损耗。

电容器在存储能量方面比电感器更有效。电容器的能量密度可以比电感器高两到四个数量级。

电容器在保持相同相对品质因数和性能的情况下可以缩小尺寸，而较大的电感器通常比较小的电感器具有更好的性能指标，例如能量密度和效率。

开关电容转换器可以通过更高的效率实现快速开关。然而，电容器在电压调节方面性能较差，并且存在电荷共享损耗。

混合开关电容转换器利用电容器的高能量密度，在开关电容电路中完成大部分能量转换，同时在输出级使用电感器来提供良好的电压调节、改善电荷共享并实现软开关。此类电路可以减少电感器两端的电压摆幅，从而降低对其尺寸的要求。

串联电容降压转换器

串联电容降压转换器采用了一种混合方法，如图2所示。此处所示的原理图是一个两相版本，其中串联电容器帮助对两个电感器进行充放电。

图2

高侧开关(S1H, S2H)和低侧开关(S1L, S2L)的开关时序被安排成产生180度相移的电感电流。

串联电容器Cseries的标称电压为输入电压的一半。这意味着开关器件承受的漏源电压是传统降压转换器中的一半，从而降低了器件应力，并有可能使用额定电压更低、效率更高的器件。

对于给定的电压转换比，高侧开关的占空比翻倍，这意味着可以更容易地实现更高频率的高压转换。

串联电容降压转换器的一个特点是自动电感电流平衡。这是因为Cseries上的电荷必须保持平衡，这提供了一个反馈回路。

开关电容转换器的各种变体广泛应用于高压应用，例如高压直流输电，其中多电平操作允许开关器件的额定电压远低于输入总线电压。

如今，在低压应用(如数据中心的负载点转换器)中实现高度集成，正成为此类转换器日益增长的应用领域。

应对高电压转换比和大电流

人工智能数据中心处理器的功耗急剧增加。英伟达GH200的热设计功耗高达1000瓦。

旧的12V中间总线架构正被48V总线系统取代，同时也在向800V高压总线架构推进。配电损耗的降低与总线电压增加的平方成正比。

为处理器供电的电压调节模块需要以高功率密度和转换效率，在大约1V或更低的电压下提供超过1000安培的电流。

高电压转换比和大电流带来了许多挑战。目前有两种常用方法。一种是基于变压器的LLC转换器，后接降压输出级。另一种是混合开关电容方法，其中一种版本(即开关总线转换器)由伯克利大学的Zhu等人概述，并在下文中描述。

1500安培、48V转1V负载点开关总线转换器

Zhu等人测试的开关总线转换器由两个2:1开关电容前端级(SC1和SC2)以及四个标为A、B、C和D的模块组成。

图3

十个支路的串联电容降压级排列为Dickson梯形结构，包含四个模块(每个模块由五个串联的两相串联电容降压级组成，分别称为1A-5A、1B-5B、1C-5C和1D-5D)。

在此开关总线转换器中，中间总线电压是开关电压。相邻模块(即连接到SC1的A和B，连接到SC2的C和D)之间有180度相移。

此外，模块C和D相对于模块A和B有90度相移。在每个五级结构中，模块A和C并联，模块B和D也并联。

这使得串联电容降压级可以实现四相对称交错。例如，并联连接的模块1A和1C使用这四相开关信号。因此，可以使用四相耦合电感器代替分立电感器。这样做具有瞬态响应时间更快以及通过直流磁通抵消减小尺寸的优势。

该转换器优化了若干因素，部分列举如下：

总电压转换比是开关电容级和降压级实现的电压转换比的乘积。更大的开关电容级转换比是有利的，这样可以使用电感更小的降压级。在此原型中，开关电容级使用了20:1的转换比，这得益于串联电容降压模块的两相操作。因此，降压级仅需2.4:1的转换比即可实现净48V到1V的转换。

开关器件的归一化应力系数可以量化为器件承受的总均方根伏安应力与净输出功率的比值。较低的值意味着更低的开关和导通损耗以及更小的开关尺寸。该设计实现了8.99的比值，是文献报道的48V转1V混合开关电容转换器中最低的比值之一。

由于此开关总线转换器中的中间总线电压是开关电压，它可以被视为单级转换器;不存在需要大型总线电容的直流中间总线。

归一化无源元件体积反映了这些元件在转换器中的体积。该系数测得为1.56，同样是其他混合开关电容设计中最低的之一。

如图3所示，布局结构将飞跨电容器堆叠为两层，使其高度与电感器对齐。这种低外形因数的转换器可以作为垂直供电解决方案实现，将开关总线转换器放置在包含处理器的主板底部。

英飞凌的40V、1.35毫欧、双面冷却硅mosfet用于开关电容级，而其25V、0.58毫欧、双面冷却硅MOSFET用于串联电容降压开关。

开关频率为220 kHz，最大输出电流为1500安培，对应于模块A到D共20路输出中每相37.5安培的电流。

结果

图4显示了此开关总线转换器的效率。在320安培时实现了92.7%的峰值效率，在1500安培时效率降至85.7%。

图4

测得功率密度为759 W/in³。在高达1300安培的电流下，仅使用空气冷却且无需外部散热器就足以将温度保持在85°C以下。

损耗分析仿真表明，MOSFET的开关损耗、导通损耗和栅极驱动损耗占总损耗的50%以上。由于串联电容降压开关上的电压应力远低于25V，使用额定电压更低的器件或效率更高的低压氮化镓高电子迁移率晶体管将显著提高转换器效率。