如何有效地管理人工智能数据中心的电源

作者：Kenton Williston

投稿人：DigiKey 北美编辑

人工智能 (AI) 和机器学习 (ML) 的兴起提出了前所未有的电力需求。下一代数据中心在电源管理、效率和可靠性方面面临着巨大挑战。传统的电源解决方案往往难以在单个组件和整体数据中心基础设施管理 (DCIM) 层面满足这些需求。先进的电源组件和集成监控解决方案提供了全面的方法，能够应对这些挑战。

例如，混合电容器技术可提供稳定的电力传输；超低等效串联电阻 (ESR) 解决方案可提高大电流功率转换的效率；高精度电阻器可实现精确的电力监控；无线集成可实现全面的电源管理。

本文将探讨这些要素如何有助于为人工智能驱动型数据中心构建强大的电源管理系统。然后，介绍 [Panasonic]在所有四个领域的解决方案，并演示其在现代数据中心环境中的应用。

利用混合电容器技术为数据中心实现高效的电力输送

现代数据中心需要大量的电源转换，通常需要从电网获得数百千伏交流电 (kVAC)。这种电压首先被降至数十千伏电流电 (kVAC)，然后再配送到整个数据中心园区。然后，转换为数百伏交流电 (VAC)，再配送至设备机架。

在机架一级，交流电被转换为直流电，通常转换为 12 VDC，以满足 IT 设备的要求。最后，在每台设备内部，电压被进一步调节到较低水平，通常在 1.1 V 至 5 V 之间，以便为处理器和内存模块等单个组件供电。

该供电链条中的每一步都会产生损耗，严重影响数据中心的整体效率。数据中心电源设计人员越来越多地采用氮化镓 (GaN) 等宽带隙 (WBG) 半导体，尽量减少随后转换级的损耗。与传统硅 (Si) 器件相比，WBG 器件凭借更高的开关频率、更低的传导损耗实现了更高的效率。

然而，这些转换器中使用的电容器技术给设计带来了巨大挑战。电源系统设计人员历来采用两种成熟的电容器技术：传统的铝电解电容器和聚合物电容器，前者的特点是漏电流低，后者则具有出色的 ESR 特性。Panasonic 的 [EEH 系列]混合型铝电解电容器（图 1）提供了第三种选择，这种电容器结合了两者的优点，最大限度地减小了漏电流和 ESR 造成的损耗。

图 1：EEH 系列混合型铝电解电容器将漏电流和 ESR 导致的损耗降至最低。（图片来源：Panasonic）

混合电容器的其他优势包括：通过开路故障模式提高可靠性，以及在远高于传统设计的频率下仍保持额定电容。传统电容器在数十个千赫兹 (kHz) 的频率下开始失去效能，而混合电容器在接近 1 兆赫兹 (MHz) 时仍能保持性能。如此之高的工作频率使得使用外形更小的电容器成为现实，从而使设计人员能够设计出更紧凑的转换器，或为其他功能腾出电路板空间。

[EEH-ZA1V151P]就是一款典型的混合电容器。这款 150 微法 (?F) 35 V 器件的 ESR 低至 27 mΩ，工作温度范围为 -55°C 至约 +105°C，使用寿命长达 10,000 小时（+105°C 时）。[STMicroelectronics]的 [EVLMG1-250WLLC]DC/DC 转换器评估板（图 2）展示了这款器件在数据中心应用中的适用性。这种 GaN 电路板的功率密度达到每立方英寸 20 瓦 (W/in.?)，且效率高于 92%。

图 2：EVLMG1-250WLLC GaN DC/DC 转换器评估板展示了混合电容器的潜力。（图片来源：STMicroelectronics）

用于高密度、高效率电力传输的低 ESR 电容器的优势

数据中心采用高功率密度 DC/DC 转换器已成为趋势，但随之而来的是独特的热管理挑战。功率密度增大、元件面积缩小会显著升高工作温度。

尽量减小电容器的 ESR 可以部分地解决这类热挑战。由于功率损耗遵循 I?R 关系，因此降低电阻会直接减少功率损耗，从而减少发热。因此，低 ESR 对于在紧凑型设计中保持安全工作温度至关重要。

然而，即使是最高效的电容器，也会因工作环境而经受较高的工作温度。因此，对于元器件密集的数据中心来说，选择一款能承受高热的电容器至关重要。图 3 所示为选型图表，其中考虑了工作温度等因素。

图 3：所示为基于纹波电流、电容、尺寸和工作温度的混合电容器选型指南。（图片来源：Panasonic）

虽然 GaN 技术带来的高开关频率有助于实现更小的封装，但电容器技术必须保持足够的电容来处理高纹波电流。[EEH-ZL 系列]混合电容器的电容选择范围为 47 μF 到 680 μF，并能在 100 kHz 频率下处理高达 2.3 A 的电流，因此能够应对这些挑战。这些器件还能确保在 +135°C 温度条件下工作，其 ESR 低至 14 mΩ。

例如，[EEH-ZL1E681P]680 μF 电容器的 ESR 为 14 mΩ，封装直径为 10.0 mm。

使用高精度电阻器精确地监控电源

数据中心应用中的 DC/DC 转换器需要高度精确的功率控制反馈。这一点在基于 GaN 的设计中尤为重要，因为在这类设计中，即使占空比反馈出现微小误差，也会导致危险的过压或过流情况。

虽然目前有各种电流检测技术，但对于服务器、存储基础设施和电源等空间有限的环境来说，并联电阻器尤其具有吸引力。然而，现代设计的高功率密度给电阻式电流检测技术带来了巨大挑战。

主要挑战是热稳定性。随着工作温度的变化，电阻值会出现显著偏移，从而可能影响测量精度。因此，热阻系数 (TCR) 成为一项关键指标。必须尽可能地降低热阻系数，以便在数据中心运行的宽温度范围内保持测量精度。

Panasonic 的 [ERA-8P 系列]电阻器（图 4）凭借多项创新功能克服了这些挑战：

• 通过精密薄膜加工实现了每开尔文 (K) ±15 × 10^-6^ 的超低 TCR
• 电阻器下方有一层可降低应力的软树脂层，可最大限度地减少热循环过程中焊料形成的裂纹
• 光滑的氧化铝基板表面可确保电阻膜厚度均匀
• 细长而弯曲的电阻模式可分散集中的电流负载，实现了业界领先的抗静电放电 (ESD) 性能

图 4：ERA-8P 系列电阻器具有高热稳定性。(图片来源： Panasonic ）

[ERA-8PEB1004V] 展示了这些功能，其规格适合监控数据中心电源：

• 元器件的限制电压高，达到 1 MΩ 时 500 V，可用于监控高压电源轨
• 额定功率 0.25 W，可确保将功率损耗降至最低
• 工作温度范围：-55°C 至 +155°C
• 出色的抗静电放电 (ESD) 能力，可在高功率环境下可靠运行

利用 Wi-Fi 监控能效

随着人工智能工作负载推动更多服务器、存储系统和电源装置的部署，DCIM 面临着日益增长的复杂性。虽然监控这些系统的功耗对优化效率至关重要，但传统的有线监控解决方案会加剧成本、复杂性和线缆管理方面的挑战，而随着设施规模的扩大，这些挑战只会变得更加复杂。

无线监控为应对这些挑战提供了一种简单的解决方案。这种方法通过电压、电流和温度测量实现了实时电源管理，而且无需额外布线。这种方法更灵活，无需重新配置物理连接即可扩大或缩小业务规模。

然而，用于数据中心应用的无线模块必须满足几项严格的要求：

• 在障碍物和潜在干扰源众多的环境中保持连接可靠
• 最大限度地降低功耗，保持总效率提高
• 外形小巧，可与现有设备集成
• 安全功能强大，能保护敏感的数据中心信息

Panasonic 的 [ENW-49A01A3EF] PAN9320 Wi-Fi 模块（图 5）功能集全面，能应对这些挑战：

• 2.4 GHz 工作频率可穿透数据中心的障碍物；同时支持 802.11b/g/n 标准，可确保广泛的兼容性。
• 在 802.11b 模式下，最低发射 (Tx) 功耗为 430 mA，接收 (Rx) 功耗为 160 mA，从而保持了高能效。
• 29.0 mm × 13.5 mm × 2.66 mm 的紧凑型表面贴装设计可简化集成。
• TLS/SSL、HTTPS 和 WPA2 等内置安全功能可保护敏感信息。

通过这些功能，数据中心运行商可全面地监电力，并最大限度地减少通常与此类系统相关的物理和运营开销。

图 5：ENW-49A01A3EF 为有高效 DCIM 提供了全面的 2.4 GHz Wi-Fi 解决方案。（图片来源：Panasonic）

结语

在人工智能工作负载方面的需求，需要重新考虑电力基础设施——从单个组件的选择到整个设施的监控系统。Panasonic 的混合电容器、超低 ESR 技术、精密电阻器和无线连接性产品组合为数据中心运营商提供了构建并维护高效、可扩展电源系统所需的工具，以支持下一代人工智能应用。

审核编辑 黄宇