AI服务器电源的技术挑战和元器件解决方案-电子发烧友网

纵观当今的科技圈，极热闹的赛道应该非AI（人工智能）莫属了。特别是近两年随着生成式AI的兴起，AIGC大模型层出不穷，随之也带来了对算力资源需求井喷式的增长，以及与之如影随形的不断攀升的能耗。

根据Digital Information World的研究报告，数据中心为训练AI模型所产生的能耗是常规云计算工作的三倍。国际能源署（IEA）的研究数据也显示，2023年AI行业主流GPU芯片的电力消耗已达7.3TWh，预估至2026年这一数字将飙升十倍！

种种迹象都指向同一个结论——想要为当今及未来数据中心中的AI服务器，提供“足量”的电能，新一代AI服务器电源必不可少。

AI服务器电源的技术挑战

顾名思义，所谓AI服务器电源，就是依据AI技术发展要求而打造的，担负着为服务器集群提供稳定、高效电能供应的电源设备，是高性能计算和数据中心必不可少的基础设施。

通常来讲，AI服务器电源架构分为三个部分：

AC/DC 转换器：其作用是将来自电网的交流电转换为直流电，并降压到服务器配电网络所需的48V，该功能主要由PSU（电源供应单元）实现。

DC/DC转换器：进一步将48V直流电，降至用电负载（如计算芯片）所需的12V、5V、3.3V和0.8V等电压。

UPS：即不间断电源，在电网供电中断时提供临时电力，使负载维持正常工作，保护系统软、硬件不受电网波动而导致损坏或数据丢失。

值得注意的是，无论是上述哪种AI服务电源设备，在设计时都面临着两大技术挑战：高功率密度和高转换效率——它们也是AI服务器电源与其他普通开关电源相比，关键的差异性所在。

高功率密度

功率密度是指在一定空间内可处理功率多少的度量，功率密度越高意味着在相同的体积内可以提供更多的功率。在数据中心中，服务器机架空间有限，随着GPU等高性能计算器件和服务器功率的增加，数据中心每个机架需要容纳更多的电源，以提供更多的电力。

如今的AI服务器电源的功率密度可达100W/in3，并朝向180W/in3发展，远超普通服务器电源50W/in3的规格要求。

高转换效率

转换效率的定义是服务器电源输入电能与输出电能的比值，更高的效率意味着更高的电能利用率、更小的能量损耗。面对用电量惊人的AI服务器集群，效率每提高1%，带来的节能效益都是巨大的。而且电源能量损耗大都以热量耗散，高效率也有助于减少系统在散热方面的需求，提高整个服务器系统的能效比，同时也有利于进一步提升系统的功率密度。

因此，相较于传统服务器电源96%的转换效率，AI服务器电源设计通常需达到97.5%-98%的更高标准。

AI服务器电源的元器件解决方案

想要实现高功率密度和高转换效率的设计目标，必须在AI服务器的开发时做多层面、全方位的考量。从电子电路设计的角度来看，主要的着力点包括两个方面：

第一，从系统设计的层面看，可以通过采用优化的电源拓扑结构，来提升整个电源系统性能。

第二，从元器件的层面来看，则需要通过不断地技术迭代，提升功率电子系统中关键元器件的性能和效率表现，为系统设计打下坚实的基础。这就需要元器件厂商在材料、设计、工艺、封装等多方面的持续创新。

在为高功率密度、高转换效率的AI服务器电源，提供高性能元器件解决方案方面，Vishay就是一位“高手”，这不仅体现在其单一元器件产品身上突出的差异化优势，也体现在其完整的产品线组合，能够为开发者提供从半导体器件到无源元件一站式的解决方案。

今天，我们就为大家推荐几款Vishay的代表性产品，看看它们是如何为打造AI服务器电源提供助力的。

采用PowerPAK10x12（TOLL）封装的超级结MOSFET

为了能够让AI服务器电源中所采用的先进拓扑结构，更大限度地释放出性能优势，核心MOSFET的性能至关重要。为此，Vishay提供了多个系列MOSFET产品，合理地选型和应用，能够在满足严格的性能和空间要求前提下，让电源系统实现高达97.5%的效率。

SiHK050N65E是Vishay新近推出的一款Gen 4.5 650V超级结MOSFET，其基于Vishay高能效E系列超结技术，支持超过6kW的高功率应用，能够在10Vgs下实现0.048Ω的典型低导通电阻，同时，650V器件的击穿电压达到额外的50V，这使其可以在200VAC至277VAC的输入电压范围内稳定工作，并符合开放计算项目的开放机架V3（ORV3）标准。

图1：采用PowerPAK10x12（TOLL）封装的超级结MOSFET（图源：Vishay）

此外，该超级结MOSFET具有更低的Eoss，以及超低的栅极电荷Qg（仅为78nC），因此具有极佳的RDS(on)*QgFOM 值（3.74Ω*nC），这对减少导通和开关损耗至关重要，从而使得器件能够满足服务器电源中特定的钛金等级（Titanium）效率要求，或者达到96%的峰值效率。

图2：SiHK050N65E与前一代产品相比具有更高的系统效率（图源：Vishay）

与此同时，SiHK050N65E采用了Vishay特有的PowerPAK10 x 12（TOLL）封装形式，兼具紧凑的外形尺寸以及更优化的散热性能，使其能够实现更高的额定功率和功率密度。

这种采用PowerPAK10x12（TOLL）封装的超级结MOSFET，非常适用于AI服务器电源中功率因数校正（PFC）和后续的DC/DC转换器模块设计，并能够很好地满足电源系统对更高效率和功率密度的需求。

T55系列SMT聚合物钽电容器

在功率电子系统中，电容器是不可或缺的一个角色，在电路中发挥着去耦、滤波和储能等作用。而高分子钽电容器，凭借着低ESR、高体积效率、稳定电气参数和长使用寿命等特性，非常适用AI电源服务器这种在追求高效率、高功率密度、高可靠性等方面的应用。

高分子钽电容器是Vishay一个极具优势的产品线。此类电容器使用烧结钽颗粒作为阳极，在阳极的整个表面形成五氧化二钽介电层，并以高导电聚合物钽作为阴极。之后，在导电聚合物层上依次涂上石墨和金属银，作为电容器元件和外部端子之间的导电界面，并在此基础上封装成外形紧凑的SMT元件。使用导电聚合物阴极可提供非常低的ESR（等效串联电阻），这使得此类电容器特别适用于对纹波要求高的应用。

图3：T55系列高分子钽电容器结构（图源：Vishay）

与标准的钽电容器相比，高分子钽电容器具有更低的ESR、更好的额降特性，且不像二氧化锰钽电容器那样有可燃风险，更为安全；与铝电解电容器相比，其会表现出更好的稳定性、更长的寿命、更宽的工作温度范围，以及更高的容积效率；与MLCC相比，聚合物电容器无压电噪声效应，没有与DC偏压相关的容值损失，具有出色的温度稳定性，且更为坚固。

因此在特定的应用中，高分子钽电容器凭借这些差异化优势，往往是不二之选。

Vishay的T55系列，就是具备上述特性优势的高分子钽电容，其采用小型化的SMT封装，具有3级潮湿敏感度，可在-55°C至+125°C的温度范围内工作，电容范围为1.0至1,000?F，额定电压2.5至63VDC，提供八种外形尺寸，可以满足AI服务器电源设计中不同场景的应用所需。

图4：T55系列SMT高分子钽电容（图源：Vishay）

WSK1216 Power Metal Strip电阻器

在电源系统设计时，通常会需要通过电流感应和测量来实现控制和保护等功能。这时，电流检测电阻是一种常用的解决方案，其原理是利用一个低阻值的精密电阻器（即分流电阻器）作为传感器，当被测电流通过分流电阻器时，会在其两端产生一个电压降，根据欧姆定律（V = I×R）就可以测算出电流的大小。

不过，这种特殊的应用场景，也意味着电流检测电阻与普通电阻器相比，有其独特之处：需要具有非常低的电阻额定值，以及高额定功率，还需要满足小型化的设计要求，以实现更高的功率密度。

电阻器的功率密度是指元件的额定功率与其占用的电路板空间之比，这需要在电阻器的设计时，能够将高额定功率技术与紧凑的封装相结合。在实现高功率密度方面，Vishay的Power Metal Strip电流检测电阻无疑是一个佼佼者，其独特的全金属焊接结构实现了高功率密度，该结构还可以承受更高的连续工作温度，同时通过创新的传热路径设计，可进一步优化元件的性能表现。

比如Power Metal StripWSK1216的设计，其将电阻元件“架空”到PCB的上方，而将端子置于电阻元件的下方，很巧妙地减小了电阻器的占板面积，提升了功率密度。