服务器电源单元设计的演变

随着人工智能显著提升数据中心的处理能力，服务器和数据中心对更高效率和更高功率密度的需求持续增长。这些需求推动了对更高效、更高功率密度的服务器电源（PSU）的需求，而目前这些电源正广泛采用氮化镓（GaN）器件。

ChatGPT 以及其他生成式预训练 Transformer (GPT) 模型（例如 GPT-3、Llama、Gemini 以及最近的 DeepSeek-R1）的发布，使得人们能够轻松使用人工智能，并正在改变软件即服务、医疗保健、供应链和银行等各行各业的工作方式。其应用范围十分广泛，从增强产品功能到检测欺诈活动，无所不包。

随着应用场景和行业采用率的不断提高，处理基础设施（包括服务器和数据中心）也需要随之扩展，这就要求提升处理能力并增加数据中心的数量。根据高盛最近的一份报告，全球数据中心的电力消耗（可作为处理需求的良好指标）预计将从2022年的1.3%（333太瓦时）增长到2030年的3.7%（1065太瓦时），复合年增长率高达约16%。

为了可持续地支持这种增长，需要高效的电源来最大限度地减少数据中心的电力损耗。设计人员需要能够帮助他们在最小的空间内，使用符合行业标准的封装元件实现高效率的电源技术。电源设计人员现在正转向氮化镓 (GaN) 等技术，以使用晶体管轮廓无引线 (TOLL) 等符合行业标准的封装来实现其效率和功率密度目标。

图 1：第一代 12V 电源架构（来源：德州仪器公司）

第二代 48V 电源架构（来源：德州仪器公司）

图 3：第三代高压电源架构（来源：德州仪器公司）

随着处理能力和电力需求的增长，数据中心电源架构也在不断发展。我们目前正处于第一代和第二代架构的交汇点（图 1 和图 2），并正向第三代架构迈进（图 3）。各代架构之间的区别在于服务器总线电压 (Vbus)，其范围从 12 V 到 48 V，甚至可能达到 400 V。

该电源架构包含四个主要子系统：服务器电源将交流电源转换为直流电源（12V、48V、400V）。备用电池装置（第一代产品不具备）可在市电断电时提供备用电源。中间总线转换器 (IBC) 提供中间总线电压（12 V、6 V、5 V），为外围设备和负载点 (POL) 功率级供电（第一代产品中不存在 IBC）。POL 功率级通过中间总线输入为处理器专用集成电路 (ASIC) 供电。

本文将重点介绍服务器电源子系统的发展趋势以及第一代和第二代架构。图 4：第一代和第二代电源单元框图（来源：德州仪器公司）

电源单元 (PSU) 架构分为两级：功率因数校正 (PFC) 级和隔离式 DC/DC 转换级（图 4）。PFC 将单相交流电转换为 400V 直流电，然后送至隔离式 DC/DC 转换级，转换为 Vbus 电压（12V 或 48V）。PSU 可以安装在服务器机架的中央位置，为服务器背板供电（第一代或第二代），也可以安装在服务器卡上（第一代）。Vbus 输出随后为后续的 IBC 和 POL 转换级供电，为中央处理器 ASIC 和外围设备（例如固态硬盘风扇或外围组件互连高速卡）供电。

PFC阶段：图 5展示了采用图腾柱式 PFC 拓扑结构的 PFC 级框图。与其它 PFC 架构相比，集成 GaN 场效应晶体管 (FET) 的图腾柱式 PFC 可实现更高的效率 (>99%)。德州仪器 (TI) 的基于GaN 的 5 kW 可变频率 ZVS 双相图腾柱式 PFC 参考设计采用集成 GaN FET，可实现 >100 kHz 的开关频率。功率级中集成的零电压二极管和过零检测器功能可实现极短的第三象限导通时间（死区时间），无需额外电路即可进一步提高效率。

图 5：图腾柱式 PFC 框图（来源：德州仪器公司）

集成式 TOLL GaN 级（例如 TI LMG3650R035）：可帮助您构建符合行业标准封装的此类设计。集成式 TOLL GaN 器件有助于优化保护电路的尺寸和复杂性，并集成过流和过温保护等功能。相比之下，基于碳化硅的设计虽然可能达到类似的效率水平，但其功率密度却低 40% 之多，从而降低了相同尺寸设计所能提供的功率输出。

隔离式 DC/DC 级：电源系统级隔离式DC/DC转换器的效率通常要求超过98%，才能获得80 Plus钛金认证（50%负载下η>96%）。典型的拓扑结构包括电感-电感-电容（LLC）电路和移相全桥电路，其中次级绕组可以是全桥式或中心抽头式。

图 6为采用全桥二次侧的 LLC 拓扑结构的框图。为了在该级实现高效率和高密度，集成 GaN 器件（例如 LMG3650R035）可以发挥关键作用。GaN FET 的输出电容很低，因此即使在高开关频率下，损耗也几乎可以忽略不计。此外，在寄生耦合可忽略不计的情况下，集成 GaN FET 的驱动损耗也低于分立式 GaN 器件。

这些因素使得该设计能够在更高的频率下实现更低的损耗，优于目前基于硅场效应晶体管（FET）的设计（该设计可达250 kHz以上，而现有设计约为100 kHz）。更高的开关频率使得无源器件（电感器、电容器和变压器绕组尺寸可缩小40%以上）的尺寸显著减小，这是因为电压纹波更低，同时还能保持设计效率在98%以上。

随着处理能力需求的指数级增长，传统的服务器电源架构正在不断演变，后续几代产品之间的设计周期也越来越短。因此，提高效率和功率密度的压力与日俱增。此外，由于新服务器的快速部署，电源单元（PSU）的设计需要具备更长的可靠性，才能获得更高的投资回报。

面对这些不断变化的挑战，人们对功率器件的期望是实现高效、可靠且可扩展的设计。德州仪器 (TI) 的集成式 TOLL GaN 功率级通过将驱动器、保护电路和 FET 集成到单个封装中，减少了额外的电路，从而帮助实现了这些目标。该功率级采用行业标准尺寸，并运用了 TI 的专有封装技术和可靠的制造工艺。