AI 服務(wù)器催生48V電源架構(gòu)，這項(xiàng)技術(shù)也在升級(jí)

隨著 AI 芯片性能的指數(shù)級(jí)增長(zhǎng)，服務(wù)器功耗呈現(xiàn)爆發(fā)式上升。 以英偉達(dá)為例，其 B200 GPU 單芯片功耗達(dá) 1000W，GB200 更突破至 2700W，驅(qū)動(dòng)單機(jī)柜功率從20kW躍升至120kW以上。 傳統(tǒng) 12V 電源架構(gòu)在高功率傳輸時(shí)正在面臨嚴(yán)重瓶頸： 電流激增導(dǎo)致 I2R 損耗劇增，散熱成本攀升，同時(shí)線束體積與重量限制了系統(tǒng)擴(kuò)展性。 這迫使數(shù)據(jù)中心必須采用更高電壓的電源架構(gòu)以應(yīng)對(duì)挑戰(zhàn)。

隨著48V電源母線的升級(jí)，對(duì)于熱插拔（Hot-Swap）技術(shù)也有著相應(yīng)的改變。本文將從48V電源架構(gòu)變革開始介紹，之后詳細(xì)介紹熱插拔技術(shù)及新品。

一、48V 架構(gòu)的核心優(yōu)勢(shì)

選擇48V系統(tǒng)，會(huì)有很多優(yōu)勢(shì)，其中包括：

能效提升與損耗降低

48V 系統(tǒng)通過降低 4 倍電流，使傳輸損耗減少 16 倍，顯著提升能源利用率。例如，12V 系統(tǒng)傳輸 12kW 需 1000A 電流，而 48V 僅需 250A，配合母線優(yōu)化設(shè)計(jì)，整體效率可提升 10%-15% 。

高密度與空間優(yōu)化

48V 架構(gòu)支持更小的導(dǎo)線和元件，減少線束占用空間，同時(shí)通過垂直電源流設(shè)計(jì)（如將 VRM 模塊置于芯片底部），縮短電流路徑，進(jìn)一步降低損耗并提升功率密度。

兼容性與演進(jìn)路徑

48V 架構(gòu)與現(xiàn)有基礎(chǔ)設(shè)施（如 48V 備用電池系統(tǒng)）兼容，同時(shí)為未來向更高電壓（如 ±400V）過渡奠定基礎(chǔ)。通過模塊化設(shè)計(jì)（如 PRM 預(yù)調(diào)節(jié)模塊 + VTM 電壓轉(zhuǎn)換模塊），可靈活適配不同算力需求，支持 5:1、8:1 等多種轉(zhuǎn)換比。

二、與傳統(tǒng)電源架構(gòu)的差異

關(guān)鍵技術(shù)創(chuàng)新

為了48V系統(tǒng)的高功率密度，電源管理需要持續(xù)的創(chuàng)新，比如：

高效轉(zhuǎn)換拓?fù)?/strong>

ZSC 零電壓開關(guān)技術(shù)：實(shí)現(xiàn)負(fù)載無關(guān)的軟開關(guān)，支持高頻切換（>1MHz），降低開關(guān)損耗。

HSC 混合開關(guān)電容技術(shù)：結(jié)合電容與磁性元件，提升轉(zhuǎn)換效率與功率密度，適用于 5:1 以上高降壓比場(chǎng)景。

智能電源管理

通過實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)電壓、電流與溫度，結(jié)合預(yù)測(cè)性維護(hù)算法，優(yōu)化能源分配并降低故障風(fēng)險(xiǎn)。例如，BBU 電池備份單元在市電中斷時(shí)，可通過超級(jí)電容快速響應(yīng)（<10ms），確保系統(tǒng)持續(xù)運(yùn)行。

材料與封裝升級(jí)

采用氮化鎵（GaN）、碳化硅（SiC）等寬禁帶半導(dǎo)體，提升開關(guān)速度與耐壓能力；優(yōu)化封裝設(shè)計(jì)（如倒裝芯片），增強(qiáng)散熱效率與可靠性。

三、熱插拔的重要性

在 AI 服務(wù)器中，熱插拔（Hot-Plugging）是一種關(guān)鍵技術(shù)，主要是由于需要保障系統(tǒng)連續(xù)性與高可用性，減少停機(jī)損失，熱插拔允許在不關(guān)閉系統(tǒng)的情況下直接更換，避免整體停機(jī)。

但是熱插拔過程中存在著諸多關(guān)鍵挑戰(zhàn)。首先是浪涌沖擊，插入時(shí)，輸入電容瞬間充電導(dǎo)致高達(dá) 4.3kA 的浪涌電流，可能損壞設(shè)備或引發(fā)系統(tǒng)電壓驟降。

此時(shí)，使用 MOSFET 作為電流控制器，通過調(diào)節(jié)柵極電壓（V GS）限制電流。結(jié)合安全工作區(qū)（SOA）曲線，確保 MOSFET 在高電壓（如 60V）下的安全運(yùn)行。

控制器需根據(jù) MOSFET 的 SOA 曲線可以動(dòng)態(tài)調(diào)整電流，避免過熱或擊穿。

四、幾款重要熱插拔應(yīng)用新品

英飛凌科技日前宣布擴(kuò)展旗下XDP數(shù)字保護(hù)產(chǎn)品系列，推出 XDP711-001。這是一款擁有 48 V 寬輸入電壓范圍的數(shù)字熱插拔控制器，具備可編程安全操作區(qū)域（SOA）控制且專為高功率 AI 服務(wù)器設(shè)計(jì)。該控制器擁有出色的輸入及輸出電壓監(jiān)控與報(bào)告功能，精度達(dá) ≤0.4%，還有系統(tǒng)輸入電流監(jiān)控與報(bào)告功能，在全 ADC 范圍內(nèi)精度達(dá)≤0.75% ，可提升系統(tǒng)的故障檢測(cè)和報(bào)告準(zhǔn)確性。

XDP711-001熱插拔控制器采用脈沖 SOA 電流控制技術(shù)，即使在未采用最佳場(chǎng)效晶體管（FET）的系統(tǒng)中也能實(shí)現(xiàn)更安全的開啟，從而降低系統(tǒng)物料（BOM）成本。這一XDP產(chǎn)品系列的新成員專為驅(qū)動(dòng)多個(gè)并聯(lián) MOSFET而設(shè)計(jì)，支持高功率設(shè)計(jì)這一AI服務(wù)器的關(guān)鍵需求。

XDP711-001 采用三區(qū)塊架構(gòu)，該架構(gòu)結(jié)合用于監(jiān)控和故障檢測(cè)的高精度遙測(cè)技術(shù)、針對(duì)功率MOSFET優(yōu)化的數(shù)位 SOA 控制，以及能夠驅(qū)動(dòng)最多8個(gè)N型功率 MOSFET的高電流整合式驅(qū)動(dòng)器，支持4 kW、6 kW和8 kW電力傳輸板（PDB）設(shè)計(jì)。這款新型熱插拔控制器可在 7 V 至 80 V寬輸入電壓范圍內(nèi)運(yùn)行，并能承受高達(dá)100 V的瞬時(shí)電壓長(zhǎng)達(dá)500毫秒，提供 ≤1.15% 精度的輸入功率監(jiān)控和報(bào)告。它具備兼容高速 PMBus的主動(dòng)監(jiān)控功能，可提升系統(tǒng)可靠性。在嚴(yán)重過電流（SOC）情況下，可編程?hào)艠O關(guān)閉功能可于短短1微秒內(nèi)迅速且確實(shí)地執(zhí)行關(guān)閉操作。其他功能包括 IMON、PMON 以及突波抗擾能力，能進(jìn)一步提高系統(tǒng)可用性。此外，全數(shù)字操作模式能大幅減少外部組件需求，實(shí)現(xiàn)緊湊的解決方案，使其成為空間受限的設(shè)計(jì)中兼具成本效益的理想選擇。

通過外部FET選擇和一次性可編程（OTP）選項(xiàng)，XDP711-001可針對(duì)各種使用模式，靈活進(jìn)行故障和警告?zhèn)蓽y(cè)，以及去抖動(dòng)（de-glicth）定時(shí)器的程序設(shè)計(jì)。其模擬輔助數(shù)字模式（AADM）則可向下兼容傳統(tǒng)模擬熱插拔控制器。

英飛凌科技IC產(chǎn)品線副總裁 Magdalene Boebel 表示：“英飛凌XDP711-001熱插拔控制器憑借功能豐富的高精度模擬前端，以及全面的健康監(jiān)控、遙測(cè)、可編程性和預(yù)設(shè)MOSFET SOA，將能夠出色應(yīng)對(duì)當(dāng)前可插拔AI服務(wù)器解決方案設(shè)計(jì)中的挑戰(zhàn)。XDP711-001強(qiáng)大的功能和適應(yīng)性體現(xiàn)了英飛凌對(duì)創(chuàng)新的不懈追求，為AI服務(wù)器及其他應(yīng)用（如網(wǎng)絡(luò)路由器和交換機(jī)）樹立了系統(tǒng)可靠性的新標(biāo)桿。”

近日，羅姆也面向企業(yè)級(jí)高性能服務(wù)器和AI服務(wù)器電源，開發(fā)出實(shí)現(xiàn)了業(yè)界超低導(dǎo)通電阻和超寬SOA范圍的Nch功率MOSFET。新產(chǎn)品共3款機(jī)型，包括非常適用于企業(yè)級(jí)高性能服務(wù)器12V系統(tǒng)電源的AC-DC轉(zhuǎn)換電路二次側(cè)和熱插拔控制器（HSC）電路的“RS7E200BG”（30V），以及非常適用于AI服務(wù)器48V系統(tǒng)電源的AC-DC轉(zhuǎn)換電路二次側(cè)的“RS7N200BH（80V）”和“RS7N160BH（80V）”。

不過德州儀器認(rèn)為，隨著功率需求的增長(zhǎng)通常導(dǎo)致解決方案體積增大、設(shè)計(jì)復(fù)雜化，并增加故障檢測(cè)與保護(hù)的難度。此外，在確保安全運(yùn)行和最小化功率損耗的同時(shí)管理大電流成為關(guān)鍵問題。傳統(tǒng)熱插拔控制器與分立FET的組合在高功率應(yīng)用中面臨顯著限制。

為應(yīng)對(duì)這些挑戰(zhàn)，德州儀器推出集成電源路徑保護(hù)的 48V 熱插拔電子保險(xiǎn)絲（eFuse）器件，專為數(shù)據(jù)中心應(yīng)用設(shè)計(jì)，具有高可靠性和緊湊性。與需要外部檢測(cè)電阻和電流檢測(cè)放大器的方案不同，TPS1689 和 TPS1685 通過集成這些功能簡(jiǎn)化了設(shè)計(jì)，在支持高功率無縫擴(kuò)展的同時(shí)，將解決方案尺寸縮減高達(dá) 50%。

TPS1689 的差異化特性之一是消隱定時(shí)器，它通過使系統(tǒng)區(qū)分峰值負(fù)載電流和實(shí)際故障條件來防止誤觸發(fā)。該功能增強(qiáng)了系統(tǒng)可靠性，避免不必要的停機(jī)。器件還支持堆疊功能以提升電流處理能力，允許多個(gè)器件在高功率應(yīng)用中協(xié)同工作。

集成的故障記錄黑匣子、FET 安全工作區(qū)保障、主動(dòng)均流和健康監(jiān)測(cè)等特性進(jìn)一步增強(qiáng)了系統(tǒng)彈性。TPS1689 采用行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)通用封裝，提供確保可靠運(yùn)行的電源管理解決方案。

五、未來演進(jìn)趨勢(shì)

更高電壓演進(jìn)：48V 架構(gòu)作為過渡方案，正推動(dòng)數(shù)據(jù)中心向 ±400V 高壓直流系統(tǒng)發(fā)展，以支持 500kW 以上單機(jī)柜功率需求。

液冷與能效協(xié)同：結(jié)合液冷散熱技術(shù)，進(jìn)一步提升系統(tǒng)能效比（PUE），目標(biāo)將數(shù)據(jù)中心整體能耗降低 30% 以上。

AI 與電源融合：利用 AI 算法動(dòng)態(tài)優(yōu)化電源分配，預(yù)測(cè)負(fù)載變化，實(shí)現(xiàn)全系統(tǒng)智能調(diào)度。

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