ZHCT374 June 2022
在 2000 年，服务器前端电源管理单元 (PSU)（通过交流输入产生 12V/48V 直流轨）达到了约 10W/in3 的功率密度，峰值效率 [1] 约为 85%。现在，许多服务器 PSU 都能够符合 80 Plus Platinum（94% 峰值）和 80 Plus Titanium（96% 峰值）的要求 [2]，后者和超高功率密度 (>90W/in3) 现已成为最低要求。
服务器 PSU 之所以能实现较高的功率密度水平，原因之一是半导体行业的技术创新。新的半导体制造工艺减少了器件的寄生效应并改善了品质因数 [3]，大大改进了功率耗散并帮助提高了功率密度。
拓扑和架构创新也是 PSU 实现高功率密度的原因。在新服务器 PSU 的交流/直流整流器级（图 1-1） 应用图腾柱无桥功率因数校正 (PFC) 电路以及氮化镓 (GaN) 和碳化硅 (SiC) 等宽带隙器件，可实现优于其他桥式或无桥 PFC 拓扑的出色转换器效率 [4] [5]。虽然较高效率确实能够尽可能减少散热所需的面积，但仍需要大容量电容器（图 1-1 中的 CBULK），以便在交流压降后保持输出电压的稳定。要使稳压持续 10mS 以上，一个 3kW 服务器 PSU 需要 1.3mF 以上的总电容，这会占用至少 30% 的总体空间。为进一步提高功率密度，必须减小大容量电容。
本文介绍了“小型”升压转换器（仅在交流压降事件期间工作的紧凑型升压转换器）的概念和工作原理，从而帮助减小大容量电容。采用小型升压转换器的 PFC 参考设计 [6] 的测试结果表明，910µF 大容量电容器（相对于 1.3mF 电容器）足以在交流压降后，在3kW 的负载下将输出电压保持在 320V 以上超过 10 mS。