垂直式電源模塊的應(yīng)用示例方案

摘要

如今在AI、機(jī)器學(xué)習(xí)和流媒體等領(lǐng)域的數(shù)據(jù)處理的劇增，使服務(wù)器芯片消耗的峰值電源電流可能超過(guò)1000 A。相關(guān)應(yīng)用的電源轉(zhuǎn)換模塊必須比過(guò)去安裝得更近，才能避免電壓降。本博客文章介紹了垂直式電源模塊，能夠幫助解決這個(gè)問(wèn)題。

從使用異乎尋常的能力模擬人類思維并即時(shí)回復(fù)信息的毫不起眼的家庭助手，到通過(guò)邊緣計(jì)算和云端來(lái)控制大型工廠，AI和“大數(shù)據(jù)”的影響遍及我們的生活。這些驚人的性能表現(xiàn)要?dú)w功于服務(wù)器中的快速自我學(xué)習(xí)的軟件算法與芯片，現(xiàn)在這類服務(wù)器中擁有多達(dá)數(shù)十億計(jì)的晶體管。雖然數(shù)據(jù)處理的需求仍在增加，這些CPU（中央處理器）、GPU（圖形處理器，顯卡）、FPGA（現(xiàn)場(chǎng)可編輯邏輯門陣列）和ASIC（專用集成電路）的物理尺寸卻無(wú)法再增大了，它們必須維持緊湊的尺寸以保障速度，而數(shù)據(jù)中心經(jīng)理們需要在機(jī)架中裝入更多的服務(wù)器刀片，以實(shí)現(xiàn)對(duì)空間與硬件的最佳利用。

電流消耗隨數(shù)據(jù)吞吐量的增加而增加

物理定律決定一切。即使每瓦（W）性能提升了，這些集成電路（IC）的功耗也顯著增加，以至于在高電流轉(zhuǎn)換率下連續(xù)消耗數(shù)百安（A）電流，峰值超過(guò)一千安。設(shè)計(jì)人員降低了電源軌電壓，以將產(chǎn)生的額外耗散最小化，但這使配電網(wǎng)絡(luò)（PDN，power distribution network）的設(shè)計(jì)變得復(fù)雜。因此，常見的方案是先使用“中間總線轉(zhuǎn)換器（IBC）”進(jìn)行功率轉(zhuǎn)換，然后使用“負(fù)載點(diǎn)（PoL）”轉(zhuǎn)換器或穩(wěn)壓模塊（VRM）來(lái)使損耗最小化（圖 1）。方案中PoL/VRM被置于盡可能靠近端負(fù)載的同一橫向平面上，但在最高電流下，即使安裝在負(fù)載附近的連接距離也仍然會(huì)沿軌道產(chǎn)生來(lái)自電阻和固有電感的電壓降，使性能下降。

圖1：常見的中間總線功率轉(zhuǎn)換方式

一種解決方案是將PoL/VRM直接放置在芯片下方，使連接距離盡可能地接近，這種方案可以通過(guò)Flex Power Modules最新定制的產(chǎn)品與設(shè)計(jì)能力來(lái)實(shí)現(xiàn)。這類DC/DC轉(zhuǎn)換器產(chǎn)品的術(shù)語(yǔ)名為“垂直供電（VPD）”，它們的引腳排列經(jīng)過(guò)定制，有著多達(dá)2400個(gè)焊球，能夠直接與處理器引腳排列相匹配，而且其矮版外形能允許底部安裝。將轉(zhuǎn)換級(jí)直接放置在負(fù)載下方，能將大電流傳輸需要的距離最小化，從而顯著降低PDN電阻與損耗，幫助提升系統(tǒng)效率和負(fù)載瞬態(tài)響應(yīng)。

圖2展示了一個(gè)VPD模塊的示例方案，該模塊可以在1-7個(gè)電壓軌下實(shí)現(xiàn)8-32相功率轉(zhuǎn)換。

圖2：為垂直供電配置的Flex Power Modules的PoL DC/DC轉(zhuǎn)換器

這個(gè)近期案例是為關(guān)鍵客戶開發(fā)的定制產(chǎn)品，額定電流為連續(xù)670 A/峰值1300 A，在5-7.5 V輸入范圍下運(yùn)行，輸出0.6-0.9 V可編程電壓，效率為86%。使用時(shí)需要一個(gè)外部控制器組件，同樣由Flex Power Modules開發(fā)，可以處理16相并聯(lián)功率級(jí)電路，而且包含監(jiān)控與告警功能。實(shí)物上來(lái)說(shuō)，該案例的尺寸為43 x 22 x 6 mm（長(zhǎng)*寬*高），包含800個(gè)用于BGA連接的焊球。產(chǎn)品產(chǎn)生的熱量透過(guò)一塊通常使用液體冷卻的冷板來(lái)散熱，冷板安裝在模塊的頂側(cè)，功率半導(dǎo)體也被安裝在同一面。

VPD解決方案最好量身定制

為獲得最優(yōu)方案，VPD模塊針對(duì)應(yīng)用的具體情況進(jìn)行定制設(shè)計(jì)，其引腳排列與目標(biāo)負(fù)載芯片相匹配，而且電氣規(guī)格也量身定做。這將會(huì)決定電源相位的數(shù)量和電壓，同時(shí)VPD的散熱性能將匹配可用的散熱條件，通常稱為“直接到達(dá)芯片”或D2C冷卻。Flex Power Modules接下來(lái)會(huì)繼續(xù)與該客戶合作，以滿足所要求的功率和成本預(yù)算、時(shí)間范圍和性能表現(xiàn)。

VPD產(chǎn)品的未來(lái)

Flex Power Modules提供定制化設(shè)計(jì)研發(fā)來(lái)擴(kuò)展其VPD系列產(chǎn)品的規(guī)模，以緊跟行業(yè)中既要維持功率質(zhì)量、又不斷刷新的峰值電流需求。留意您下一個(gè)想要攀登的巔峰，它必將會(huì)插上Flex Power Modules的旗幟。

關(guān)于Flex Power Modules

Flex Power Modules是Flex公司的一條業(yè)務(wù)分支，是可擴(kuò)展DC/DC電源轉(zhuǎn)換器的領(lǐng)先制造商和解決方案提供商，主要服務(wù)于數(shù)據(jù)處理、通信、工業(yè)和運(yùn)輸市場(chǎng)等領(lǐng)域。公司提供廣泛的隔離式和非隔離式解決方案，其數(shù)字化DC/DC轉(zhuǎn)換器產(chǎn)品擁有由強(qiáng)大的Flex Power Designer支持的PMBus兼容性。