380V DC已逐漸成為電信及資料中心電源基礎架構的必要選擇。為滿足此一需求，系統整合商需以簡易而有效的方式來連接現存的48V設備，以提升效能並降低成本。
380V DC配送正成為電信及資料中心電源基礎架構的必要選擇。由於業界一流計算、路由及光學集線器設備不斷需要愈來愈多的電力，典型48V配送由於I2R損失的關係，在安裝及操作上迅速昂貴起來；同時，使用AC UPS的AC配送變得太過昂貴、複雜。雖然更高DC電壓可有效滿足電源系統的總體擁有成本需求，但系統整合商仍需以簡易而有效的方式來連接現存的48V設備。
同樣，設備製造商也必須設計並製造可以直接接受更高DC電壓的可用新硬體。本文將介紹滿足這兩種需求的電源系統架構，分析組件及系統分割層面的取捨。所論述的端對端拓撲型態實例與新發布的ETSI EN 300132-3-1標準合規性有關。
大型電源配送系統演進
DC配電系統數十年來已在電信產業中得到了廣泛的接受和使用。採用大型配電的配送方案率先在該產業中獲得使用，這是一個在傳遞電力方面一律使用DC配電方法的產業。近來，有些電訊運營商接受了採用分散式48V DC(代替大型)現場拓撲型態(或架構)，這類拓撲型態具有實際部署整齊的整流器(如圖1)，電負載需要更高含銅量的互連才能涵納配送損失。
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| 圖1 模組化整流器系統的實例，展示了2(N+1(x))組態中同樣數量的整流器。 |
這兩種方法都能夠適應於使用380V DC配送，以獲得更低損耗及更高效率的優勢。在所有這些方法中，使用「模組化」整流器也能夠達到非常高的可用性指數(類似於目前使用的48V DC)。此外，更高電壓的DC配送可通過運用AC UPS的AC配送提供大量的優勢：
電源系統參考組塊之構建與框架
圖2是電信現場380V DC配送系統的方框圖。公用事業AC電力係藉由整流器組合轉換成的穩定、經妥善穩壓的380V DC電源，其隨後可分配給負載。電池直接連接至關鍵母線。本系統提供與市電的電流隔離，電源系統的下游可以不需要另外進行隔離。為了完全享有更高DC電壓配送所提供的效益，必須優化與受電設備有關的電源轉換拓撲型態，例如主機板上的前端功率組件及內部轉換拓撲型態等。
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| 圖2 380V DC現場配送的簡化方框圖 |
以下用於負載電源之電源轉換拓撲型態(380V DC轉換成更低的電壓)可視為用於更高DC電壓電源系統的「構建組塊」。
正弦振幅轉換器(SAC)
正弦振幅轉換器可視為線路頻率下電源變壓器的DC等效裝置。它具備雙向性質，在連接不同DC電壓準位時可提供非常高的頻寬。由於這種拓撲型態採用高頻變壓器的匝數比，因而可完全避免電壓調整，所達到的尖峰效率高97%且密度指數接近所獲得之效率通過會超過97%，而功率密度則接近2000W/inch3(120W/cm3)。因而在配電及負載點應用中是高效率電壓位準轉變的理想選擇。在以下的架構分析中，有兩個主要電源組件採用這種拓撲型態：中間母線轉換器(IBC)和負載點電流倍增器(CM)。
零電壓轉換降壓型/升壓型/降-升壓型轉換器
零電壓轉換升降壓型(ZVS-BB)轉換器是一種符合以下兩項主要要求的轉換器拓撲型態：在輸入對輸出穩壓率小的地方效率最大，轉換器密度最高(因為開關損耗非常低)。
所獲得之效率通過會超過97%，而功率密度則接近1800W/inch3(110W/cm3)。兩個特定的電源組件可用於這種拓撲型態：等化器及負載點穩壓器。前者利用ZVS-BB拓撲型態的非隔離性質，在高電壓輸入母線維持「常態工作電壓」範圍時，在正極端子之間提供DC連接，如圖3所示。在短暫斷電或電池運作期間，等化器的電源鏈切換成傳動裝置，藉由處理電力關閉能量來貯留輸出母線，該能量是由分別安裝於中間母線上的貯留電容或電池組所儲存。
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| 圖3 等化器模式下的ZVS-BB拓撲型態，不需要穩壓時，上方開關維持閉合，使輸出直接連接到輸入。 |
最佳參考電源系統框架
要追求最佳電源系統架構，必須要建立參考框架。以下是重要的考量：
ETSI標準EN 300 132-3清楚地定義了需要由配送系統連接的電源。必須注意：寬鬆的電壓範圍及暫態雖然有定義，但它們仍維持常因備用運作、故障及調運暫態造成的隔離及罕見事件。最佳電源系統在標稱條件下不應該為了維持罕見、異常狀態而犧牲常態轉換效率。資料中心運作時(影響有效能量使用狀況，從而影響到總體擁有成本(TOC))的平均效率η可用方程式1來描述。
其中ηoperating和ηservice分別是電源系統在「常態工作」及「常態服務」配送電壓狀態下的效率，而aoperating和aservice分別是正規化權數，這兩個權數反映系統在接近380V而非經容許電壓範圍下有效運作的時間量。只要有可能，就應該將配送損耗降到最低，所採用的方法可以是在底板上採用更高的電壓，也可以在單元主機板上維持相對高的電壓，要盡可能地靠近負載點。
由於功率位準會因特定負載而產生顯著的變化，電源系統應該能夠靈活地適應資料中心伺服器上特定裝置的頻譜。電源系統處理變化大於一個量級的降壓比：從大約31(380/12)到380(380/1)。大部分所需的降壓應使用SAC拓撲型態來獲得，其可透過匝數比來利用有效電流乘法運算。只要有可能，便應該用相同的原理使穩壓器範圍縮減到最小，這樣才能維持較高的效率。考慮兩個常見的案例，以便提出滿足所考慮框架的電源架構。
這屬於極限降壓比，其可呈現極大的負載電流。圖4是可能的電源鏈，提供有相關的電壓範圍、電源組件及配送母線位置，以及期望的配送損耗位準。在該特例中，藉由採用正好在單元電源埠有1/8比率的「前端」SAC以及具有1/40比率(因而可高效實施40*8=320的比率)的「負載點」SAC，380V的標稱輸入可「直接」轉變至1.18V。ZVS-BB穩壓器在常態工作期間只需要提供最小的調整。然而，即使是在寬鬆範圍輸入電壓擺動期間，穩壓器仍然能夠進行補償。配電因而可在整個系統中維持較高的電壓。
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| 圖4 案例1的電源鍊電壓位準(最低、標稱、最大)及配送損耗。 |
這是個中間降壓比，其可呈現降低的負載電流以及相對較低的電源。圖5是可能的電源鏈，提供有相關的電壓範圍、電源組件及配送母線位置，以及期望的配送損耗位準。
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| 圖5 案例2的電源鍊電壓位準(最低、標稱、最大)及配送損耗。 |
在該特例中，降壓比(380/3.3=115)大都是藉由採用正好在單元電源埠有1/32比率的「前端」SAC來實現的。ZVS-BB穩壓器只需要提供大約3.6的比率，可實現低功率運作即可。在本案例中，穩壓器同樣能夠在寬鬆範圍輸入電壓改變期間進行補償，可能用不著犧牲效率，因為較低的電壓配送會降低穩壓器必須提供的降壓比(260V/32=8.1V；8.1/3.3=2.5)。然而，板上配電損耗會更高(如果電源位準較低，可能可以接受)。
高電壓DC配送之電源系統方法
數年來，中間母線架構已經在電信及高層次運算中廣泛採用。半穩壓48V底板已藉由有效率、非穩壓型母線轉換器，與線上9.6∼12V半穩壓型中間母線及運算卡連接。藉由將分散式底板電壓提升到380V(±190V)，系統整合人員及公用事業操作員面臨一個直接問題：如何連接舊有的48V設備。目前有兩種架構解決方案可供思考：
1.底板配送「配接器」：該組態如圖6所示，只在分散之大容量電源與現存48V設備間採用兩個電源轉換元件。這些元件有可能會置於個別的框架單元，從而保留高電壓DC配送的優點。有趣的是，「等化器」組塊可輕易保證ETSI範圍(260∼400V)相容性；此裝置具有ZVS-BB轉換器，每當其輸入電壓接近標稱值時，便特別提供有效率的「旁路」功能(如圖3所示)。等化器組塊在標稱狀態下不會處理電源，只在寬鬆輸入範圍情況下介入。這種方法非常簡單，因此可能是公用事業操作員實施時的首選。
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| 圖6 作為舊有設備「臨時」解決方案的一(多)個外部轉換器。 |
2.經升級之線卡/伺服器，這個選項如圖7所示，將標準48/12或48/9.6母線轉換器以高電壓、寬鬆範圍K=1/32母線轉換器取代。這會使底板電壓變化相對於主機板負載呈現透通，在實施標準降壓型穩壓器(niPOL)時尤其如此，其中所獲得之8∼12.5V範圍在常態下相容。在需要穩壓級的情況下(例如硬碟機)，可實施專用等化器級。隨後，較高電壓配送的所有效益得以保持，下游負載點穩壓器毋須改變。
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| 圖7 僅針對特定、緊密穩壓型輸入電壓負載以等化器組塊取代內部母線轉換 |
分比式電源架構(FPA)
未來配電系統的最終目的是要使效率極大化，以便使總體擁有成本極小化。因此，資料中心設備會需要升級其功率處理能力，才能得到：
此種系統的可能架構如圖8所示。
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| 圖8 業界的電源系統架構(效率最高、總體擁有成本最低)。 |
必須注意：這種方法須要對主機板電源系統進行顯著的架構變更，但在符合所有適用標準的情況下，仍會保留現存配送結構。不需要有等化器級，因為配送電壓範圍可藉由穩壓器輕易處理。
ZVS-BB穩壓器可能與負載點電流倍增器(SAC)搭配用於非常低的電壓負載、或直接(ZVS降壓型、ZVS升壓型)用於相對較高的電壓。
表1總結了三種所考慮架構的期望「來源對 CPU負載」尖峰效率，電源分別源自於大容量組塊及備用組塊。
構建實驗系統驗證提出架構
實驗系統的構建主要是為了驗證所提出的架構。圖9是方框圖；虛線主要強調接口電路板，如圖10所示。
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| 圖9 實驗系統方框圖 |
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| 圖10 接口電路板圖片 |
業界的整流單元，如艾默生網絡能源R400-15000e可用於產生380V母線。已設計出的接口電路板主要由四大組塊構成：離散式EMI濾波器、具有1:8比率的高電壓母線轉換器(Vicor BCM384P480T1K0A40)、具有1:32比率的二級高電壓母線轉換器(Vicor BCM384F120T300A00)以及等化器級(與Picor PI2127耦合當作主動式旁路元件的Vicor PRM48KF480T500A00)。
由上至下提供三組輸出：非穩壓型48V(380/8)、穩壓型48V(後接等化器級的380/8)及非穩壓型12V(380/32)。
每個輸出特性可在電信資料中心負載內有效連接 三種共通的類別：
等化器組塊功能驗證
為了驗證等化器組塊的功能，已將可變電壓應用於接口電路板的輸入，同時也將各種負載應用於穩壓型48V輸出。圖11至圖14係獲得之效能：每當高電壓輸入降到低於360V時，等化器便退出其透通(旁路)狀態，開始將其輸出電壓升壓至穩壓型45V設定點。只要輸入電壓超過360V，透通功能便再次啟用。
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| 圖11 藉由降低高電壓母線來進行等化器穩壓，無負載(C1：高電壓輸入；C2：IBC K=1/8輸出電壓；C3：等化器輸出電壓；C4：負載電流)。 |
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| 圖12 藉由升高高電壓母線來進行等化器穩壓，無負載(C1：高電壓輸入；C2：IBC K=1/8輸出電壓；C3：等化器輸出電壓；C4：負載電流) |
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| 圖13 藉由降低高電壓母線來進行等化器穩壓，500W負載(C1：高電壓輸入；C2：IBC K=1/8輸出電壓；C3：等化器輸出電壓；C4：負載電流)。 |
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| 圖14 藉由降低高電壓母線來進行等化器穩壓，700W負載(C1：高電壓輸入；C2：IBC K=1/8輸出電壓；C3：等化器輸出電壓；C4：負載電流)。 |
電源轉換效率
實驗系統可準確展示所提出的架構，但所用的各種轉換器不能確切地依據功率能力進行匹配。表2總結了各裝置的可用功率、測得之尖峰效率及尖峰效率時的輸出功率。在實際應用中，會將各個組塊結合起來，以接近其尖峰效率運作；因而可以總結出：表2可驗證表1中所列的期望效率值。
值得注意的是，即使是在旁路模式下，此等化器組塊之實驗實施仍可能耗費大約1%的總效率。圖15是在380V作為輸入電壓的情況下，所測得之實驗設置的效率曲線。
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| 圖15 實驗接口電路板效率與負載關係，輸入為380V，非穩壓型及穩壓型輸出為48V。旁路模式下的ZVS-BB 等化器是曲線間存在差異的原因。 |
已提出並且已分析適用於高電壓DC配送之電源系統架構包括能與現存硬體無縫連接的架構，以及藉由運用分比式電源架構典範大膽由380V直達負載點的架構。實驗系統的構建及特性分析主要用於驗證理論分析。
(本文作者皆任職於Vicor)