服务器电源单元设计的演变
快速阅读: 据《电子产品在线》称，氮化镓技术正革新服务器和数据中心，大幅提升能效和功率密度。通过优化电源架构，实现更高效率和更小体积，助力AI时代可持续发展。
**服务器与数据中心的能效革命：氮化镓技术引领未来**
随着人工智能技术的飞速发展，服务器和数据中心对更高效率与更高功率密度的需求正在急剧攀升。AI的广泛应用不仅提升了数据处理能力的需求，也对服务器电源供应单元（PSU）提出了更高要求。如今，设计师们已将目光投向氮化镓（GaN）器件，以满足这一需求。
近年来，无论是ChatGPT还是GPT-3、Llama、Gemini，乃至DeepSeek-R1等生成式预训练模型的问世，都极大简化了AI的使用方式，并广泛应用于软件即服务（SaaS）、医疗保健、供应链管理及银行业等多个领域。这些模型的应用场景从增强产品功能到检测欺诈行为，几乎涵盖了所有重要业务环节。随着AI应用范围和行业普及率的不断扩大，数据中心的处理基础设施亟需扩容，这无疑增加了对服务器和数据中心处理能力的需求。
根据高盛近期发布的报告，全球数据中心的电力消耗预计将在2030年前从2022年的1.3%（约333太瓦时）增长至3.7%（约1065太瓦时），复合年增长率高达16%。为了实现这一增长的可持续性，高效节能的电源供应成为当务之急。在此背景下，电源设计师正逐渐采用氮化镓（GaN）等尖端技术，以优化效率与功率密度，同时继续沿用行业标准封装形式，例如晶体管外形无引脚（TOLL）封装。
服务器电源架构正经历着从第一代到第三代的演进。第一代以12V总线电压为主，而第二代则提升至48V，未来甚至可能达到400V。这一变化标志着数据中心电源架构的全面升级。当前，我们正处于第一代与第二代交接的关键时刻，正逐步迈向第三代架构。
电源架构由四个核心子系统组成：服务器电源供应单元（PSU）负责将交流电转化为直流电；电池备份单元（仅出现在第一代架构中）可在主电源中断时提供备用能源；中间总线转换器（IBC）将中间总线电压（12V、6V或5V）传递给点负载电源模块；点负载电源模块则为处理器和外围设备（如固态硬盘风扇或PCIe卡）供电。
本文重点探讨服务器PSU子系统的最新发展趋势及其在第一代与第二代架构中的应用。PSU架构分为两大部分：功率因数校正（PFC）部分和隔离DC/DC阶段。PFC部分将单相交流电转换为400VDC，随后进入隔离DC/DC阶段，最终将电压降为所需的总线电压（12V或48V）。
在PFC阶段，采用顶部PFC拓扑的解决方案能够通过集成氮化镓（GaN）场效应晶体管（FET）实现超过99%的效率。例如，德州仪器（TI）推出的基于GaN的双相顶部PFC参考设计，其工作频率可达100kHz以上。得益于集成的零电压二极管和零交叉检测功能，该设计大幅缩短了第三象限导通时间（即“死区时间”），进一步提高了效率，且无需额外电路。此外，集成TOLL GaN器件如LMG3650R035，不仅有助于优化保护电路的设计，还集成了过流和过温保护等功能。相比之下，基于碳化硅（SiC）的设计虽然也能达到相似的效率水平，但在功率密度方面却低40%，可能导致相同体积下的输出功率减少。
隔离DC/DC阶段对效率的要求同样苛刻，需超过98%才能满足PSU系统级别上的80 Plus钛金认证（即在50%负载条件下效率需超过96%）。常见的拓扑结构包括电感-电感-电容（LLC）和移相全桥。图示中的LLC拓扑框图展示了全桥次级配置的工作原理。在这里，集成GaN器件如LMG3650R035发挥了至关重要的作用。由于GaN FET拥有较小的输出电容，即使在高频切换下损耗依然微乎其微。此外，集成GaN FET的驱动损耗低于分离式GaN器件，且寄生耦合可以忽略不计。这些优势使得设计频率可以轻松突破250kHz，而传统硅基FET的设计频率通常仅为100kHz左右。更高频率带来的好处在于，通过降低电压纹波，可以使被动元件（如电感、电容器和变压器绕组）的尺寸减少40%以上，同时保持98%以上的整体效率。
传统服务器电源架构正在经历一场深刻的变革，随着计算能力呈指数级增长，每一代产品的设计周期都在缩短。这就意味着电源设计师必须不断应对提升效率与功率密度的双重挑战。此外，在新服务器快速部署的同时，PSU设计还需具备更高的可靠性，以确保长期稳定运行并实现良好的投资回报。面对这些不断变化的挑战，业界对电源设备提出了更高的期待——它们不仅要支持可扩展性，还要兼顾高效性和可靠性。
德州仪器（TI）通过其创新性的TOLL GaN电源级产品，成功解决了这些问题。这款产品将驱动器与保护功能整合至单一封装中，减少了额外电路的需求，从而满足了上述所有期望。更重要的是，该产品采用了行业标准的封装形式，并依托德州仪器独有的封装技术和可靠的制造工艺，为未来的数据中心提供了坚实的基础。
**总结：**
氮化镓（GaN）技术正在重塑服务器与数据中心的未来。它不仅帮助实现了前所未有的效率和功率密度，还推动了整个行业的可持续发展。随着人工智能和大数据时代的到来，GaN器件无疑将成为下一代高性能计算不可或缺的一部分。
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**附注：文中提及的产品和技术均为虚构示例，仅用于说明目的。实际应用中请参考相关厂商官方文档和技术规格。**
(以上内容均由Ai生成)
