縱觀當(dāng)今的科技圈，極熱鬧的賽道應(yīng)該非AI（人工智能）莫屬了。特別是近兩年隨著生成式AI的興起，AIGC大模型層出不窮，隨之也帶來(lái)了對(duì)算力資源需求井噴式的增長(zhǎng)，以及與之如影隨形的不斷攀升的能耗。

根據(jù)Digital Information World的研究報(bào)告，數(shù)據(jù)中心為訓(xùn)練AI模型所產(chǎn)生的能耗是常規(guī)云計(jì)算工作的三倍。國(guó)際能源署（IEA）的研究數(shù)據(jù)也顯示，2023年AI行業(yè)主流GPU芯片的電力消耗已達(dá)7.3TWh，預(yù)估至2026年這一數(shù)字將飆升十倍！

種種跡象都指向同一個(gè)結(jié)論——想要為當(dāng)今及未來(lái)數(shù)據(jù)中心中的AI服務(wù)器，提供“足量”的電能，新一代AI服務(wù)器電源必不可少。

AI服務(wù)器電源的技術(shù)挑戰(zhàn)

顧名思義，所謂AI服務(wù)器電源，就是依據(jù)AI技術(shù)發(fā)展要求而打造的，擔(dān)負(fù)著為服務(wù)器集群提供穩(wěn)定、高效電能供應(yīng)的電源設(shè)備，是高性能計(jì)算和數(shù)據(jù)中心必不可少的基礎(chǔ)設(shè)施。

通常來(lái)講，AI服務(wù)器電源架構(gòu)分為三個(gè)部分：

AC/DC轉(zhuǎn)換器：其作用是將來(lái)自電網(wǎng)的交流電轉(zhuǎn)換為直流電，并降壓到服務(wù)器配電網(wǎng)絡(luò)所需的48V，該功能主要由PSU（電源供應(yīng)單元）實(shí)現(xiàn)。

DC/DC轉(zhuǎn)換器：進(jìn)一步將48V直流電，降至用電負(fù)載（如計(jì)算芯片）所需的12V、5V、3.3V和0.8V等電壓。

UPS：即不間斷電源，在電網(wǎng)供電中斷時(shí)提供臨時(shí)電力，使負(fù)載維持正常工作，保護(hù)系統(tǒng)軟、硬件不受電網(wǎng)波動(dòng)而導(dǎo)致?lián)p壞或數(shù)據(jù)丟失。

值得注意的是，無(wú)論是上述哪種AI服務(wù)電源設(shè)備，在設(shè)計(jì)時(shí)都面臨著兩大技術(shù)挑戰(zhàn)：高功率密度和高轉(zhuǎn)換效率——它們也是AI服務(wù)器電源與其他普通開(kāi)關(guān)電源相比，關(guān)鍵的差異性所在。

高功率密度

功率密度是指在一定空間內(nèi)可處理功率多少的度量，功率密度越高意味著在相同的體積內(nèi)可以提供更多的功率。在數(shù)據(jù)中心中，服務(wù)器機(jī)架空間有限，隨著GPU等高性能計(jì)算器件和服務(wù)器功率的增加，數(shù)據(jù)中心每個(gè)機(jī)架需要容納更多的電源，以提供更多的電力。

如今的AI服務(wù)器電源的功率密度可達(dá)100W/in3，并朝向180W/in3發(fā)展，遠(yuǎn)超普通服務(wù)器電源50W/in3的規(guī)格要求。

高轉(zhuǎn)換效率

轉(zhuǎn)換效率的定義是服務(wù)器電源輸入電能與輸出電能的比值，更高的效率意味著更高的電能利用率、更小的能量損耗。面對(duì)用電量驚人的AI服務(wù)器集群，效率每提高1%，帶來(lái)的節(jié)能效益都是巨大的。而且電源能量損耗大都以熱量耗散，高效率也有助于減少系統(tǒng)在散熱方面的需求，提高整個(gè)服務(wù)器系統(tǒng)的能效比，同時(shí)也有利于進(jìn)一步提升系統(tǒng)的功率密度。

因此，相較于傳統(tǒng)服務(wù)器電源96%的轉(zhuǎn)換效率，AI服務(wù)器電源設(shè)計(jì)通常需達(dá)到97.5%-98%的更高標(biāo)準(zhǔn)。

AI服務(wù)器電源的元器件解決方案

想要實(shí)現(xiàn)高功率密度和高轉(zhuǎn)換效率的設(shè)計(jì)目標(biāo)，必須在AI服務(wù)器的開(kāi)發(fā)時(shí)做多層面、全方位的考量。從電子電路設(shè)計(jì)的角度來(lái)看，主要的著力點(diǎn)包括兩個(gè)方面：

第一，從系統(tǒng)設(shè)計(jì)的層面看，可以通過(guò)采用優(yōu)化的電源拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，來(lái)提升整個(gè)電源系統(tǒng)性能。

第二，從元器件的層面來(lái)看，則需要通過(guò)不斷地技術(shù)迭代，提升功率電子系統(tǒng)中關(guān)鍵元器件的性能和效率表現(xiàn)，為系統(tǒng)設(shè)計(jì)打下堅(jiān)實(shí)的基礎(chǔ)。這就需要元器件廠商在材料、設(shè)計(jì)、工藝、封裝等多方面的持續(xù)創(chuàng)新。

在為高功率密度、高轉(zhuǎn)換效率的AI服務(wù)器電源，提供高性能元器件解決方案方面，Vishay就是一位“高手”，這不僅體現(xiàn)在其單一元器件產(chǎn)品身上突出的差異化優(yōu)勢(shì)，也體現(xiàn)在其完整的產(chǎn)品線組合，能夠?yàn)?a target="_blank">開(kāi)發(fā)者提供從半導(dǎo)體器件到無(wú)源元件一站式的解決方案。

今天，我們就為大家推薦幾款Vishay的代表性產(chǎn)品，看看它們是如何為打造AI服務(wù)器電源提供助力的。

采用PowerPAK10x12（TOLL）封裝的超級(jí)結(jié)MOSFET

為了能夠讓AI服務(wù)器電源中所采用的先進(jìn)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，更大限度地釋放出性能優(yōu)勢(shì)，核心MOSFET的性能至關(guān)重要。為此，Vishay提供了多個(gè)系列MOSFET產(chǎn)品，合理地選型和應(yīng)用，能夠在滿足嚴(yán)格的性能和空間要求前提下，讓電源系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)高達(dá)97.5%的效率。

SiHK050N65E是Vishay新近推出的一款Gen 4.5 650V超級(jí)結(jié)MOSFET，其基于Vishay高能效E系列超結(jié)技術(shù)，支持超過(guò)6kW的高功率應(yīng)用，能夠在10Vgs下實(shí)現(xiàn)0.048Ω的典型低導(dǎo)通電阻，同時(shí)，650V器件的擊穿電壓達(dá)到額外的50V，這使其可以在200VAC至277VAC的輸入電壓范圍內(nèi)穩(wěn)定工作，并符合開(kāi)放計(jì)算項(xiàng)目的開(kāi)放機(jī)架V3（ORV3）標(biāo)準(zhǔn)。

圖1：采用PowerPAK10x12（TOLL）封裝的超級(jí)結(jié)MOSFET（圖源：Vishay）

此外，該超級(jí)結(jié)MOSFET具有更低的Eoss，以及超低的柵極電荷Qg（僅為78nC），因此具有極佳的RDS(on)*QgFOM 值（3.74Ω*nC），這對(duì)減少導(dǎo)通和開(kāi)關(guān)損耗至關(guān)重要，從而使得器件能夠滿足服務(wù)器電源中特定的鈦金等級(jí)（Titanium）效率要求，或者達(dá)到96%的峰值效率。

圖2：SiHK050N65E與前一代產(chǎn)品相比具有更高的系統(tǒng)效率（圖源：Vishay）

與此同時(shí)，SiHK050N65E采用了Vishay特有的PowerPAK10 x 12（TOLL）封裝形式，兼具緊湊的外形尺寸以及更優(yōu)化的散熱性能，使其能夠?qū)崿F(xiàn)更高的額定功率和功率密度。

這種采用PowerPAK10x12（TOLL）封裝的超級(jí)結(jié)MOSFET，非常適用于AI服務(wù)器電源中功率因數(shù)校正（PFC）和后續(xù)的DC/DC轉(zhuǎn)換器模塊設(shè)計(jì)，并能夠很好地滿足電源系統(tǒng)對(duì)更高效率和功率密度的需求。

T55系列SMT聚合物鉭電容器

在功率電子系統(tǒng)中，電容器是不可或缺的一個(gè)角色，在電路中發(fā)揮著去耦、濾波和儲(chǔ)能等作用。而高分子鉭電容器，憑借著低ESR、高體積效率、穩(wěn)定電氣參數(shù)和長(zhǎng)使用壽命等特性，非常適用AI電源服務(wù)器這種在追求高效率、高功率密度、高可靠性等方面的應(yīng)用。

高分子鉭電容器是Vishay一個(gè)極具優(yōu)勢(shì)的產(chǎn)品線。此類電容器使用燒結(jié)鉭顆粒作為陽(yáng)極，在陽(yáng)極的整個(gè)表面形成五氧化二鉭介電層，并以高導(dǎo)電聚合物鉭作為陰極。之后，在導(dǎo)電聚合物層上依次涂上石墨和金屬銀，作為電容器元件和外部端子之間的導(dǎo)電界面，并在此基礎(chǔ)上封裝成外形緊湊的SMT元件。使用導(dǎo)電聚合物陰極可提供非常低的ESR（等效串聯(lián)電阻），這使得此類電容器特別適用于對(duì)紋波要求高的應(yīng)用。

圖3：T55系列高分子鉭電容器結(jié)構(gòu)（圖源：Vishay）

與標(biāo)準(zhǔn)的鉭電容器相比，高分子鉭電容器具有更低的ESR、更好的額降特性，且不像二氧化錳鉭電容器那樣有可燃風(fēng)險(xiǎn)，更為安全；與鋁電解電容器相比，其會(huì)表現(xiàn)出更好的穩(wěn)定性、更長(zhǎng)的壽命、更寬的工作溫度范圍，以及更高的容積效率；與MLCC相比，聚合物電容器無(wú)壓電噪聲效應(yīng)，沒(méi)有與DC偏壓相關(guān)的容值損失，具有出色的溫度穩(wěn)定性，且更為堅(jiān)固。

因此在特定的應(yīng)用中，高分子鉭電容器憑借這些差異化優(yōu)勢(shì)，往往是不二之選。

Vishay的T55系列，就是具備上述特性優(yōu)勢(shì)的高分子鉭電容，其采用小型化的SMT封裝，具有3級(jí)潮濕敏感度，可在-55°C至+125°C的溫度范圍內(nèi)工作，電容范圍為1.0至1,000μF，額定電壓2.5至63VDC，提供八種外形尺寸，可以滿足AI服務(wù)器電源設(shè)計(jì)中不同場(chǎng)景的應(yīng)用所需。

圖4：T55系列SMT高分子鉭電容（圖源：Vishay）

WSK1216 Power Metal Strip電阻器

在電源系統(tǒng)設(shè)計(jì)時(shí)，通常會(huì)需要通過(guò)電流感應(yīng)和測(cè)量來(lái)實(shí)現(xiàn)控制和保護(hù)等功能。這時(shí)，電流檢測(cè)電阻是一種常用的解決方案，其原理是利用一個(gè)低阻值的精密電阻器（即分流電阻器）作為傳感器，當(dāng)被測(cè)電流通過(guò)分流電阻器時(shí)，會(huì)在其兩端產(chǎn)生一個(gè)電壓降，根據(jù)歐姆定律（V = I×R）就可以測(cè)算出電流的大小。

不過(guò)，這種特殊的應(yīng)用場(chǎng)景，也意味著電流檢測(cè)電阻與普通電阻器相比，有其獨(dú)特之處：需要具有非常低的電阻額定值，以及高額定功率，還需要滿足小型化的設(shè)計(jì)要求，以實(shí)現(xiàn)更高的功率密度。

電阻器的功率密度是指元件的額定功率與其占用的電路板空間之比，這需要在電阻器的設(shè)計(jì)時(shí)，能夠?qū)⒏哳~定功率技術(shù)與緊湊的封裝相結(jié)合。在實(shí)現(xiàn)高功率密度方面，Vishay的Power Metal Strip電流檢測(cè)電阻無(wú)疑是一個(gè)佼佼者，其獨(dú)特的全金屬焊接結(jié)構(gòu)實(shí)現(xiàn)了高功率密度，該結(jié)構(gòu)還可以承受更高的連續(xù)工作溫度，同時(shí)通過(guò)創(chuàng)新的傳熱路徑設(shè)計(jì)，可進(jìn)一步優(yōu)化元件的性能表現(xiàn)。

比如Power Metal StripWSK1216的設(shè)計(jì)，其將電阻元件“架空”到PCB的上方，而將端子置于電阻元件的下方，很巧妙地減小了電阻器的占板面積，提升了功率密度。

圖5：WSK1216 Power Metal Strip電阻器（圖源：Vishay）

WSK1216采用4端子設(shè)計(jì)，實(shí)現(xiàn)了低至0.0005Ω的阻值和1%的容差；由于采用了固態(tài)金屬錳銅和錳銅錫合金電阻元件，具有低TCR (< 20ppm/°C)、低電感值（0.5nH至5nH）和低熱電勢(shì)（< 3μV/°C）等特性。

圖6：Power Metal Strip系列（黃色）與標(biāo)準(zhǔn)電阻器（藍(lán)色）相比，功率密度優(yōu)勢(shì)明顯（圖源：Vishay）

可見(jiàn)，這些高功率密度和高效率的特性，使得WSK1216非常適合用于AI服務(wù)器電源中各類電流檢測(cè)、分壓和脈沖應(yīng)用。

本文小結(jié)

AI技術(shù)的發(fā)展正在強(qiáng)力拉動(dòng)AI服務(wù)器市場(chǎng)的發(fā)展，據(jù)TrendForce的預(yù)測(cè)，2022年至2026年AI服務(wù)器出貨量的年復(fù)合增長(zhǎng)率將達(dá)10.8%。在這樣的市場(chǎng)熱潮中，對(duì)AI服務(wù)器電源的需求，也會(huì)不斷升溫。

如何應(yīng)對(duì)AI服務(wù)器電源設(shè)計(jì)上的技術(shù)挑戰(zhàn)？從更具功率密度和轉(zhuǎn)換效率優(yōu)勢(shì)的元器件入手，Vishay已經(jīng)為我們提供了一站式的解決方案——