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解决功率密度挑战
电源管理创新技术

【作者: Bastian Lang等人】2020年12月16日 星期三

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电源管理创新技术如何实现超大规模资料中心的人工智慧应用


挑战

人工智慧 (AI)、智慧城市及自动驾驶,是影响人类及改变生活型态的其中几项重大趋势,也在许多相关领域对现有先进技术造成艰困挑战。


电源管理是在云端采用 AI 技术,同时继续满足计算和储存需求的最大瓶颈之一;具体而言,问题在於系统向处理器及 ASIC 供电时,电源转换器的功率密度。


「开放运算专案」(OCP) 尝试订定电源架构的全新标准,以因应前述挑战;其中将传统 12 V 的中间汇流排电压提升为 48 V,以大幅降低传输损耗,并以更优异的效率传输电力至酬载 (亦即 AI ASIC/GPU/CPU 或 SOC)。AI 加速器模组的功率位准已经超过 750 W,电流最高可达 1000 A (0.75 V 核心电压情况下)。如果一块主机板上最多要装设八个这类模组,功率额定及热管理就是一大问题。


现有先进技术

导入 48 V 输电架构之後,提升电源转换程序效率就非常关键。双级转换常用於满足高电压比率需求,以及因应困难的暂态需求。LLC 谐振转换器普遍作为中间汇流排转换器 (IBC),因为其中可在 48 V 一次侧提供零电压切换 (ZVS),并在 12 V 二次侧提供零电流切换 (ZCS)。如果不需要隔离,可调整以转换为基础的开关电容转换器 (ZSC),进一步提升效能及功率密度。


至於图 1 所示的新型开放运算加速器模组 (OAM),功率密度不但是其中的关键叁数,也是新型 48 V 输电架构的主要挑战。图 2 显示 IBC 及多相降压系统可用的空间区域。



图1 : 英飞凌供应的一般 OAM 板
图1 : 英飞凌供应的一般 OAM 板

为了满足空间需求,第一级和第二级都需要使用高频切换运作。不过高频运作会增加损耗 (亦即切换、闸极驱动及传导损耗),特别是 VRM 级 (亦即 1.5 至 2 MHz)。


如果将 VRM 级的输入电压降低为 6 V,就可减少空间尺寸同时维持高效率。在转换率更高的情况下,以开关电容拓扑为基础的 IBC 就过於复杂庞大,原因包括需要因应浮动驱动器需求,以及开关和陶瓷电容器数量。


高降压比 IBC 普遍使用全桥 LLC 谐振转换器等变压器型拓扑,不受电气隔离需求影响。使用变压器型拓扑有许多优点,但也有缺点。


图2 :  48 V 输电系统的 OAM 尺寸及空间需求
图2 : 48 V 输电系统的 OAM 尺寸及空间需求

举例来说,降压比是由一次侧及二次侧之间的绕组匝数比决定,而铜在 LLC 中心分接谐振转换器中的使用率并未最隹化。为了克服 I2R 损耗在变压器中的限制,英飞凌推出混合开关电容 (HSC) 转换器,结合开关电容转换器及高降压比磁性装置的各项效益,透过电容器及磁性装置传输能量,大幅提升效率及功率密度,实现 OAM 所需的功率密度。


HSC 转换器

在 LLC 等谐振转换器中,切换频率需要接近 LC 谐振以提供软切换。此外由於所有能量是透过变压器传输,因此会增加整体损耗。转换器拓扑效率如果因为元件不符而大幅变化,在没有额外补偿措施的情况下将无法量产。为了克服前述问题,英飞凌提出以 HSC 拓扑双相谐振转换器为基础的全新方法。如图 3 所示,HSC 是由分为两段的 6 个 MOSFET 组成,透过两个飞驰电容器及名为多重分接自耦变压器 (MTA) 的磁性装置连接;MTA 则是由 4 个串联绕组连接,共用相同磁芯。ZVS 及 MTA 磁性电感可实现高频运作。



图3 : HSC 转换器拓扑
图3 : HSC 转换器拓扑

HSC 提供未调节电压轨,取决於 N_1 及 N_2 之间的匝数比。拓扑是由两个对称 PWM 驱动: H (亦即 Q_1,Q_3 and Q_5 为 ON 且 Q_2,Q_4 and Q_6 为 OFF) 和 L (亦即 Q_1,Q_3 and Q_5 为 OFF 且 Q_2,Q_4 and Q_6 为 ON)。状态之间导入的停滞时间,可让 ZVS 运作不受负载影响。HSC 可在谐振频率之上或之下运作,不会影响 ZVS 运作,因此可维持高水准的整体系统效能,不受元件容差影响。


HSC 能够达到高效率及高功率密度的关键要素之一,就是使用品质因数 (FOM) 更理想的低电压额定 MOSFET。例如以 48 V 电轨运作的 8:1 组态,就可使用 Q_3 及 Q_6 的 25 V 额定 MOSFET。


源极向下概念推动功率密度向前突破

为了因应功率密度的种种挑战,必须在元件层级有所创新,推动谐振拓扑持续进展。英飞凌推出源极向下 (Source Down) 封装技术後,IQE006NE2LM5 可进一步提升电气及热效能,满足现代资料中心应用所需的功率密度。这项创新封装的主要效益包括:


--降低 30% RDS(on),减少 I2R 损耗


--降低封装相关寄生效应,减少 FOM 进而降低切换损耗


--降低 Rthjc,以最隹方式分布封装产生的热能


--导热片置於源极针脚附近,可实现最隹化配置,让大面积的接地区域作为散热器


为了比较效能效益,建构了两种版本的 8:1 HSC,其中一个主机板使用现今标准的汲极向下 (Drain-Down) 装置 (BSZ011NE2LS5I),另一个则使用源极向下装置 (IQE006NE2LM5), 图 4 显示装置之间的热效能比较结果。传统封装显示的热点 (图4a),可在使用新型源极向下封装後 (图 4b) 消除,大幅改善 MOSFET 表面温度,与汲极向下装置相差摄氏9度。图 5 显示效率比较结果 (包括辅助损耗),其中新型源极向下装置的系统效率较高,也让功率密度大幅提升。



图4 : HSC 在 450 W 使用 48 V 输入,在Tamb =摄氏24度和 v=3.3 m/s 条件下的热行为:(a) 使用 BSZ011NE2LS5I、(b) 使用 IQE006NE2LM5
图4 : HSC 在 450 W 使用 48 V 输入,在Tamb =摄氏24度和 v=3.3 m/s 条件下的热行为:(a) 使用 BSZ011NE2LS5I、(b) 使用 IQE006NE2LM5

图5 : 48 V 至 6 V 的 HSC 转换器效率 (包括辅助损耗),其中使用 BSZ011NE2LS5I (蓝色) 及 IQE006NE2LM5 (红色) 。条件为Tamb =摄氏24度和 v=3.3 m/s
图5 : 48 V 至 6 V 的 HSC 转换器效率 (包括辅助损耗),其中使用 BSZ011NE2LS5I (蓝色) 及 IQE006NE2LM5 (红色) 。条件为Tamb =摄氏24度和 v=3.3 m/s

综观前述所有效益及效能测量结果,显然源极向下封装技术的创新解决方案,是满足所需功率密度的关键因素,以便供应人工智慧等重大趋势所需的大量电力。


(本文作者Bastian Lang1、Roberto Rizzolatti2、Christian Rainer3为英飞凌科技1产品行销经理、2-3系统创新工程师)


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