2021-08-25
问题解决案例
技术信息
是否对数据中心而言不可或缺？
使用48V电源的理由和电源设计课题 (2)
～高性能电容器的选定～
在上次登载的消息中，我们对数据中心的48V电源具有二级方式，即暂时从48V降至中间电压后再用第二级电源转换成负荷电压进行了解说。（图1）
因此，本次我们将对作为主流方式的二级方式中最适合的电容器选定时应该考虑的事项进行解说。
选定电容器时应该考虑的事项
1st stage的考虑事项
48V输入部的电容器需要充分的电容，以便预防因输入电力的瞬间下降、或输出侧的大电流负荷变动而发生的电压降。在需要电容时，通常人们首先会研究采用铝电解电容器，但需要根据用途充分考虑电容的可靠性。实际上，在2000年代桌面电脑由于部分铝电解电容器而频繁发生了运行故障等问题。这是因为电解液在长期高温环境中干涸，电容急剧下降。
一项有效的对策是使用固体电解质的OS-CON。OS-CON由于使用固体电解质，电容不易减少，为最终产品的长期稳定运行和高可靠性做出贡献。（图2）
以服务器为首的数据中心的设备要求高于电脑的高可靠性，且OS-CON已投入使用。要求在数据中心新亮相的48V线上也使用固体电解质的OS-CON和混合电容器(*1)的呼声日益高涨，松下电器正在因应这种需求而充实额定值为63-100V的产品阵容。
(*1) 混合电容器・・・它是一种混合类型，既使用固体电解质，也使用液体电解质，并且不会像只使用液体电解质的电解电容器那样因干涸而发生显著的劣化。
2nd stage的考虑事项
在2nd stage的电源设计中，基板表面的贴装面积越来越受到限制。为了实现高性能化，在处理器尺寸增大，内存数量增加，加速器的添加等过程中，还添加了1st stage电源，限制了用于2nd stage的面积。因此，松下电器的OS-CON最适合作为2nd stage的输入大容量电容器。它与电解电容器相比实现小型、大电容，不仅对应大电流变动，而且由于业界顶级的低ESR和允许纹波电流特性，可以较小的尺寸，较少的贴装数量来确保电源的稳定化。（图3）
此外，由于产品尺寸的差异，松下电器的POSCAP作为单品的电容比OS-CON要小，但由于它使用了高介电常数的钽，所以从电容密度来看是最优异的电容器。产品高度为1.2-2㎜的低矮型的产品阵容还可以贴装到基板背面侧，譬如作为基板表面没有面积空余的服务器、小型/薄型的加速器、NIC卡、薄型SSD的瞬间降低保护电容器，它是一种能够提供足够电容的解决方案。（图4）
另一方面，如前所述，因为基板表面的贴装面积受到限制，输出侧的电容器越来越多地贴装到基板背面侧。松下电器的SP-Cap适应了这种趋势，因为它拥有2㎜的低产品高度，同时实现了大电容和低ESR。（图5）
作为能够贴装到基板背面的电容器还活用MLCC。但是，作为应对大电流负荷变动的对策而出现的贴装数量的增加是设计课题之一。这是因为MLCC会有因电压和温度而引起的特性变化、以及机械应力引起的破损等担忧，并且随着贴装数量的增加设计变得更加困难。此外，由于MLCC贴装数量的增加导致的成本上升和供给问题也经常发生。SP-Cap通过温度和电压稳定性优异的大容量、低ESR特性，可以在一个单元内完成多个MLCC的功能，减少了伴随MLCC贴装数量增加引发的故障。
这样，通过使用平衡良好的SP-Cap，即使在贴装面积受到严格限制的情况下也有可能简化稳定性足够高的电源设计。SP-Cap在导电性聚合物电容器中具有最优异的低ESR特性，在大多数情况下是最适合的，但是在重视小型、大电容特性的情况下，如上所述电容密度优异的POSCAP是有效的。
导电性聚合物电容器的稳定性
从以上描述可以看出，导电性聚合物电容器作为补充以铝电解电容器和MLCC进行设计时产生的特性不稳定因素的电容器是有效的，我们因此而赢得了在各种设备设计中“易于设计”、“能够做到小型化”、“有助于实现高可靠性”等客户的好评。（图6、图7）
在技术不断进化的过程中，也要求电容器进一步进化。松下电器作为导电性聚合物电容器的主要供应商不断进行改善和改良，今后我们仍将根据以数据中心设备为首的各种用途和使用条件提出最适合的产品和解决方案，支持电源设计。
采用到参考板的事例(Texas Instruments公司)
作为松下电器的导电性聚合物电容器在48V数据中心设备中体现有用性的例子，这里介绍由世界领先的模拟IC制造商Texas Instruments公司设计的采用到面向数据中心的最新电源参考板的一个事例。
对象解决方案１ (1st stage)
Texas Instruments公司制造的
面向数据中心和通信设备的解决方案
设计编号: PMP22510
https://www.ti.com/tool/PMP22510
以省面积、高效率(峰值95%)
的方式从48V向中间电压转换
规格：60Vin max (48V typ)
- 1.8-5V 40A max
Controller IC: TPS53667
被采用的松下电器商品
- ① 混合电容器
- 产品编号: EEHZA1J100P
(63V,10μF,120mΩ,ø10xH10.2mm) - ② 金属复合电感器
- 产品编号: ETQP5M1R0YLC
(1.0μH,2.3mΩ,Isat 37.8A,10.9x10xH5mm)
图片提供:
Texas Instruments
对象解决方案2 (2nd stage)
Texas Instruments公司制造的
面向数据中心和通信设备的解决方案
设计编号: PMP21887
https://www.ti.com/tool/PMP21887
对应最新的加速器、开关ASIC等所需的大电流。
规格：14Vin max (12Vin typ)
- 0.85V 600A max
Controller IC: TPS536C7
被采用的松下电器商品
- ① SP-Cap
- 产品编号: EEFSX0D471E4
(2.5V,470μF,4.5mΩ,7.3x4.3xH2mm) - ② 混合电容器
- 产品编号: EEHZA1V271P
(35V,270μF,20mΩ,ø10xH10.2mm)
图片提供:
Texas Instruments
对象解决方案3 (一级方式＋二级方式的第一级)
Texas Instruments公司制造的
面向数据中心和通信设备的解决方案
设计编号: PMP4486
https://www.ti.com/tool/PMP4486
使用GaN，以高密度、高效率的方式从48V向负荷电压及中间电压转换。
规格：60Vin max (48V typ.)
- 1V 40A, 12V 10A, 29V 10A
Controller IC: UCD3138A
被采用的松下电器商品
- ① POSCAP
- 产品编号: 2TPE470MAJGB
(2V,470μF,11mΩ,3.5x2.8xH2mm) - ② 混合电容器
- 产品编号: EEHZA1V680XP
(35V,68μF,35mΩ,ø6.3xH8mm) - ③ 铝电解电容器
- 产品编号: EEVFK1K101Q
(80V,100μF,320mΩ,ø12.5xH13.5mm)
图片提供:
Texas Instruments