Phil Davies | Vicor 公司

配電網(wǎng)絡(luò) (PDN) 是所有電源系統(tǒng)的主干部分。隨著系統(tǒng)電源需求的不斷上升，傳統(tǒng) PDN 承受著提供足夠性能的巨大壓力。對(duì)于功耗和熱管理而言，主要有兩種方法可以改善 PDN 對(duì)電源系統(tǒng)性能的影響。一是使用更大線纜、連接器和更厚主板電源層減少 PDN 電阻；二是在給定的傳輸功率下，提高 PDN 電壓以減小電流，這允許使用更小的線纜、連接器和更薄的主板銅箔電源層，從而可縮減相應(yīng)的尺寸、成本和重量。

多年來(lái)，工程師一直使用第一種方法，因?yàn)樵摲椒ㄅc數(shù)十年來(lái)為單相 AC 及 12V DC-DC 轉(zhuǎn)換器及穩(wěn)壓器構(gòu)建的大型生態(tài)系統(tǒng)兼容。其它原因還包括 DC-DC 轉(zhuǎn)換器拓?fù)湫阅懿蛔悖瑹o(wú)法高效將更高電壓直接轉(zhuǎn)換為負(fù)載點(diǎn) (PoL) 電壓，以及這些電壓更高的轉(zhuǎn)換器及穩(wěn)壓器的相關(guān)費(fèi)用等。

然而，現(xiàn)代電源設(shè)計(jì)使用第二種方法的越來(lái)越多，提高 PDN 電壓。這一趨勢(shì)的推動(dòng)力源于系統(tǒng)負(fù)載功率的顯著提升。以數(shù)據(jù)中心為例，人工智能 (AI)、機(jī)器學(xué)習(xí)和深度學(xué)習(xí)的加入，使機(jī)架功率迅速上升到了兩倍，達(dá)到 20kW范圍，而超級(jí)計(jì)算機(jī)服務(wù)器機(jī)架則已接近 100kW 或更高。

理想的負(fù)載點(diǎn)電源系統(tǒng)。穩(wěn)壓器在 Vin = Vout 時(shí)提供最高效率。大電流供電最接近負(fù)載點(diǎn)時(shí)效率最高，從而可最大限度降低 I2R 損耗。

這一電源需求的增長(zhǎng)促使系統(tǒng)工程師對(duì)其整個(gè) PDN 進(jìn)行了重新評(píng)估，從機(jī)架到機(jī)架內(nèi)部的配電，乃至服務(wù)器刀片上的 PDN，無(wú)一例外，因?yàn)楝F(xiàn)代 CPU 和 AI 處理器功耗更大。機(jī)架功率為 5kW 水平時(shí)，單相 AC到機(jī)架 是正常的。然后將 AC 轉(zhuǎn)換為 12V，配送給服務(wù)器刀片。功率為 5kW 時(shí)，PDN 電流為 416A (5kW/12V)，配電通過(guò)大量線纜進(jìn)行。

處理器功率大約從 2015 年開(kāi)始急劇上升，因此機(jī)架電源上升到了 12kW。所以，必須在 12V PDN 的機(jī)架內(nèi)對(duì) 1kA 電流進(jìn)行管理。OCP (開(kāi)放計(jì)算項(xiàng)目) 聯(lián)盟成員主要包括云計(jì)算、服務(wù)器和 CPU公司，該聯(lián)盟將一如既往地發(fā)展其 12V 機(jī)架設(shè)計(jì)。OCP 機(jī)架從線纜轉(zhuǎn)移到了母線排，并在機(jī)架內(nèi)分配多個(gè)單相 AC 至 12V 轉(zhuǎn)換器，以最大限度縮減機(jī)架到服務(wù)器刀片的PDN距離以及阻抗。與以往機(jī)架供電的主要差異是，以前來(lái)自于機(jī)架饋電的單相交流電為三相中的單相。

能夠構(gòu)建其自己的機(jī)架及數(shù)據(jù)中心解決方案的公司開(kāi)始轉(zhuǎn)而采用 48V 配電。這一策略將 12kW 機(jī)架的大電流 PDN 問(wèn)題削減到了 250A，但為刀片服務(wù)器的功率轉(zhuǎn)換帶來(lái)了新的難題。

通過(guò)“最后一英寸”傳輸大電流，為高功率處理器設(shè)置了障礙。Vicor 技術(shù)不僅可提高這一性能，而且還可簡(jiǎn)化主板設(shè)計(jì)。

機(jī)架電源超過(guò) 20kW 的范圍時(shí)，服務(wù)器機(jī)架 PDN 設(shè)計(jì)將不斷發(fā)展。人們?yōu)榱司S持 12V 原有系統(tǒng)的現(xiàn)狀，在許多方面都得有創(chuàng)新，但數(shù)據(jù)中心引入AI的處理器穩(wěn)態(tài)電流超過(guò) 1000安培、峰值電流接近 2000安培時(shí)，就會(huì)讓基于 12V傳統(tǒng)的 PDN 不切實(shí)際。AI 的核心是性能，而 12V PDN 則會(huì)限制性能和競(jìng)爭(zhēng)力。

為了解決高功率機(jī)架的諸多難題，OCP 聯(lián)盟正在向可容納 48V PDN 的機(jī)架發(fā)展。從 12V 配電轉(zhuǎn)向 48V，可將輸入電流需求降低 4 倍 (P=V×I)，將損耗銳減 16 倍（功耗 = I2R）。此外，汽車、5G、LED 照明和顯示屏市場(chǎng)以及工業(yè)應(yīng)用，也在向 48V 配電轉(zhuǎn)型。因此，48V 電源轉(zhuǎn)換器生態(tài)系統(tǒng)正

在迅猛發(fā)展，轉(zhuǎn)用 48V有很好的商業(yè)意義。但不是所有的 48V 轉(zhuǎn)換器拓?fù)浼凹軜?gòu)都相同。48V 轉(zhuǎn)換器市場(chǎng)性能參差不齊，這是一個(gè)值得仔細(xì)考慮的實(shí)際情況。

由于高性能和電源效率位列高功率機(jī)架及數(shù)據(jù)中心需求的榜首，有幾家公司正在采用三相 AC 至 48V，為服務(wù)器刀片配電。另外，也可使用機(jī)架內(nèi)分配的高電壓 DC（380V，源自整流三相輸入）。多家高性能計(jì)算公司正在將 HVDC PDN 用于功率高達(dá) 100kW 的機(jī)架。

為服務(wù)器刀片供電的 PDN 轉(zhuǎn)換為 48V 時(shí)，刀片上的電源轉(zhuǎn)換也必須改變。這種轉(zhuǎn)變導(dǎo)致了DC-DC 轉(zhuǎn)換器與穩(wěn)壓器在架構(gòu)、拓?fù)渑c封裝的多種選擇。

48V 模式對(duì)于數(shù)據(jù)中心服務(wù)器而言還很陌生，但在路由器和網(wǎng)絡(luò)交換機(jī)等通信應(yīng)用中卻很普及，因?yàn)樗鼈兪褂玫氖强沙潆姷?48V 鉛酸備用電池系統(tǒng)。數(shù)據(jù)中心服務(wù)器中以前使用的通用架構(gòu)叫中間母線架構(gòu)或IBA。IBA 包括隔離式非穩(wěn)壓母線轉(zhuǎn)換器，可將 -48V 轉(zhuǎn)換為 +12V，提供給一系列多相降壓穩(wěn)壓器，用于負(fù)載點(diǎn)。一些云計(jì)算公司和 HPC 公司最初為其 48V 系統(tǒng)復(fù)制了這一架構(gòu)，但在功率增加而 PoL 電壓降至 1V 以下時(shí)，設(shè)計(jì)人員開(kāi)始尋找可替代的架構(gòu)和拓?fù)洹?br />
電源系統(tǒng)架構(gòu)、開(kāi)關(guān)拓?fù)浜头庋b對(duì)于高性能高密度設(shè)計(jì)而言非常重要。隨著 AI 及 CPU 處理器電流的增加，由于穩(wěn)壓器和 PoL 之間的PDN 電阻影響，PoL處功率傳遞電路的密度成為人工智能應(yīng)用中最關(guān)鍵的元素。

業(yè)界一流的最新 AI 處理器具有大約 1kA 的穩(wěn)態(tài)電流，峰值電流達(dá) 1.5kA 至 2kA。考慮到處理器常規(guī)多相降壓穩(wěn)壓器輸出的典型 PDN 電阻在 200 至 400μΩ 之間，所帶來(lái)的 PCB 功耗為穩(wěn)態(tài) (P = I2R) 200-400W，對(duì)于任何系統(tǒng)來(lái)說(shuō)，都太高了，根本無(wú)法處理。

PDN 損耗成了 DC-DC 穩(wěn)壓器設(shè)計(jì)效率及性能的主導(dǎo)因素。這是一個(gè)負(fù)載點(diǎn)問(wèn)題，而且提高電壓根本不現(xiàn)實(shí)（PoL 電壓在快速下降，以維持摩爾定律的有效性），因此唯一可行的方法是減少 PDN 電阻，將穩(wěn)壓器盡量靠近處理器布置。在多相降壓穩(wěn)壓器的案例中，通常會(huì)占用 16-24 個(gè)相位，才能支持 AI 處理器的大電流。這不是一種高電流密度方案，無(wú)法解決 PDN 功耗問(wèn)題。

分比式電源架構(gòu)

IBA 的替代方案是 Vicor 的分比式電源架構(gòu) (FPA)，它包含前置穩(wěn)壓級(jí) (PRM)和緊隨其后的變壓級(jí) (VTM)。這一專有架構(gòu)可優(yōu)化每個(gè)階段的性能。PRM 執(zhí)行非隔離（48V 為安全超低電壓 SELV）穩(wěn)壓。其 48V 輸入經(jīng)過(guò)嚴(yán)格穩(wěn)壓，可提供 48V 輸出，所需的 PoL 電壓在 VTM 中轉(zhuǎn)換，VTM 是一款固定比率轉(zhuǎn)換器，輸出電壓為輸入電壓的固定比例。