德州仪器推800V电源管理方案，助力AI系统发展
快速阅读: 德州仪器发布新电源管理工具，支持12V至800V设计，包括30千瓦AI服务器电源参考设计等，与英伟达合作开发800V直流电源解决方案，目标实现超1兆瓦功率。
德州仪器（TI）发布了新的电源管理设计工具，以满足人工智能领域不断扩大的需求，并支持从12V和48V到800V的可扩展设计。这些工具包括一篇名为《为下一轮AI计算增长准备电力传输权衡》的白皮书、一款30千瓦AI服务器电源参考设计、双相智能功率级、用于横向供电的双相智能功率模块以及氮化镓中间总线转换器。白皮书中讨论了TI与英伟达合作开发800V直流电源解决方案的情况，目标是在未来几年内实现超过1兆瓦的整体功率水平。
30千瓦AI服务器电源参考设计采用了三相三级飞行电容器PFC转换器与双δ-δ三相LLC转换器结合的设计。该设计可以配置为双±400V输出或单800V轨，以满足下一代AI工作负载的高功率需求。CSD965203B双相智能功率级在行业中拥有最高的峰值功率密度，每相可达100安培。其采用5毫米×5毫米QFN封装，使设计师能够增加更多相数，提高系统效率。CSDM65295双相模块包含两个功率级和电感器，具有TLVR选项，用于横向供电分布。它在9毫米×10毫米×5毫米的尺寸下可提供高达180安培的峰值输出，提高了功率密度和热性能。
LMM104RM0氮化镓基中间总线转换器采用四分之一砖形式，最高可输出1.6千瓦功率，效率超过97.5%。该转换器还支持主动电流共享，有助于构建可扩展且节能的AI数据中心电源架构。
德州仪器的克里斯·苏霍斯基，数据中心系统工程和营销总经理，在媒体简报会上指出了这一转变的规模。“数据中心并不新鲜，但AI部署正在推动资源需求和技术要求的新一波浪潮。”他说，“上一代处理器消耗几百瓦的功率。当前代系统现在在SoC级别就超过了1千瓦，而机架密度预计在未来几年内将超过1兆瓦。”
这种功率密度的指数级增长迫使半导体行业重新考虑效率、热管理和可扩展性。“行业正在经历一场巨大的变革，TI处于前沿，与我们的关键客户一起解决技术、组件和系统层面的这些挑战。”苏霍斯基补充道。
TI的方法集中在所谓的“从电网到门的效率”——优化从公共电网到处理器门的整个电力传输链。“我们通过将半导体创新与系统级电源基础设施相结合，实现下一代数据中心的可扩展性。”苏霍斯基说，“这使得从电网到门的高效率和功率密度得以实现。”
普拉迪普·谢诺伊，TI数据中心计算电源与控制技术专家，在媒体简报会上概述了几项旨在满足现代电力传输需求的创新。“我们自豪地推出了业界首款48V电子保险丝，它通过集成关键监测和遥测功能，帮助将系统尺寸减少约50%。”谢诺伊解释说，“我们的氮化镓基中间总线转换器在标准四分之一砖尺寸下实现了超过97.5%的峰值效率，支持主动电流共享和可扩展性。”
Shenoy 表示：“这项封装创新真正实现了顶部散热，有效去除设备的热量。氮化镓本身开关速度非常快，减少了开关损耗。在控制方面，我们使用强大的数字控制器来高效管理多个相位并实现电流共享。这使得多个模块可以并联堆叠以达到更高的输出功率，同时保持效率和热性能。”
数字控制和嵌入式处理能力随电源转换链各阶段的需求而变化。“对于电子保险丝和其他电源保护装置，保护场效应晶体管（FET）的栅极控制通常通过模拟控制回路实现。许多设备（如 TPS1689）集成了 PMBus 接口，允许主机控制器实时监控、控制和配置系统。此外，还具有黑匣子故障记录功能，有助于调试现场故障/退货。因此，这些可以视为数字化辅助或启用的功能。类似的方法也用于许多集成 FET 的负载点降压转换器，如 TPS546B25。控制回路是模拟的（D-CAP4 恒定导通时间控制），但许多可编程参数可通过 PMBus 配置。另一方面，TI 最新一代多相降压控制器（TPS537G2）已转向全数字控制回路。”Shenoy 解释说。
Shenoy 还描述了 TI 向双相电源阶段和模块的转变，这显著提高了紧凑设计中的电流密度。“我们今天展示的双相电源阶段在 5×5 毫米封装中提供高达 200A 的峰值电流，采用顶部散热技术，提高热性能。”他说，“当集成到双相模块中时，这些设计比离散解决方案的体积减少高达两倍。”
他补充道：“开发高度可靠的电源阶段至关重要。TI 拥有独特的电路知识产权，有助于确保双电源阶段在嘈杂环境中的稳定运行，并防止各相之间的不良耦合。多相控制器通常负责电流平衡、相位交错和瞬态响应。综合解决方案真正满足了人工智能加速器对极高电流需求（千安培）和快速瞬变（千安培/微秒斜率）的要求。”
随着机架级电源超过 1 兆瓦，TI 及其合作伙伴正在准备下一次主要架构飞跃：800V 直流电源分配。“我们继续与英伟达及其他公司合作，开发支持 800V 直流架构的电源管理设备。”Shenoy 说，“从 48V 到 800V 的转变将重新定义计算托盘内电源的传输和隔离方式，这一转变将在未来两年内加速实现。”
为了展示这一过渡，TI 开发了一款 30 千瓦的人工智能服务器电源供应单元参考设计，展示了未来服务器电源供应的可能性。“该设计展示了人工智能数据中心电源系统在效率和密度目标方面的可能性。”Shenoy 强调。
随着系统向更高电压过渡，安全性成为关键设计因素。“我们正在研究的一种方法是热插拔控制器设计，安全地将托盘连接到预充电的 800V 直流总线。”Shenoy 说，“我们利用 TI 在汽车和太阳能行业的经验——这些行业已经运行在高直流电压下——将经过验证的安全性和效率带入人工智能基础设施。”
凭借其半导体创新、系统级设计和深厚的行业合作，德州仪器正定位自己成为推动人工智能革命的数据中心电源交付的关键推动者。“TI 的使命是帮助工程师突破可能的界限——从电网到门控，从硅片到系统。”Suchoski 说，“随着人工智能电力需求的持续激增，我们准备帮助世界构建支持智能本身的基础设施。”
毛里齐奥·迪·保罗·埃米利奥是《电力电子新闻》和《嵌入式系统》的主编，同时也是《EE Times》的特约记者。他拥有物理学博士学位，是一名电信工程师。他曾参与多个国际项目，研究引力波，设计了热补偿系统（TCS）和数据采集控制系统，并与哥伦比亚大学合作研究X射线微束技术，以及与欧洲航天局/意大利国家核物理研究所合作研究高压系统和空间通信及电机控制技术。TCS系统被应用于Virgo和LIGO实验，这两个实验首次探测到引力波，并因此荣获2017年诺贝尔奖。自2007年起，他担任《微电子学杂志》和IEEE期刊等学术出版物的审稿人。此外，他还与多家电子行业公司及意大利和英国的博客和杂志合作，如《电子世界》、《Elektor》、《Mouser》、《工业自动化》、《电子设计》、《All About Circuits》、《Fare Elettronica》、《Elettronica Oggi》和《PCB Magazine》，担任技术撰稿人和编辑，专长于电子和科技的多个领域。2015年至2018年，他担任《固件》和《开放源码电子》的技术博客和杂志的主编。他曾多次在各种会议上发表关于X射线、空间技术和电源供应的主题演讲。毛里齐奥喜欢撰写有关电力电子、宽带隙半导体、汽车、物联网、嵌入式系统、能源和量子计算的故事。自2019年起，他成为AspenCore的内容编辑，目前担任《电力电子新闻》和《嵌入式系统》的主编，以及《EE Times》的特约记者。他是《PowerUP》播客的主持人，该播客专注于电力电子领域，也是《PowerUP虚拟会议》的发起人和组织者，这是一年一度的峰会，邀请众多知名演讲者讨论电力电子设计趋势。此外，他还为多篇技术和科学文章以及两本Springer出版社的书籍贡献了内容，涉及能量收集和数据采集控制系统。
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