解决人工智能数据中心 PSU 的功率密度问题-BOM电子元器件商城

解决人工智能数据中心 PSU 的功率密度问题

2024-11-29 10:34:24

晨欣小编

标准化为数据中心环境带来了许多好处，其中最重要的之一就是能够轻松更换电源（以及其他组件），几乎不需要停机时间，无论供应商是谁。然而，标准化的同时也对零部件制造商提出了挑战，因为它们必须在遵守几年前制定的规格的框架下，仍能实现创新突破。

M-CRPS规范与电源模块

以内部冗余电源的 M-CRPS 规范为例，这一规范是开放计算项目（Open Compute Project, OCP）的一部分，它构成了 DC-MHS（数据中心模块化硬件系统）标准化接口和外形尺寸系列的一部分。这些规范涵盖了多个模块和功能单元，包括连接到计算机主机处理器模块、控制面板以及高速数据接口等关键功能组件。

M-CRPS电源模块有多种外形尺寸，包括 CRPS185（185 x 73.5 x 40 mm）和 CRPS265（265 x 73.5 x 40 mm），并支持多种输出电压设置，如12 V和54 V。使用54 V标准可以提高超大规模和AI工作负载的分配效率。

人工智能对电源的要求

近年来，生成式人工智能（AI）的发展迅速，尤其是在数据中心环境中的应用，这对服务器电源系统提出了特殊要求。支持下一代AI处理器（如NVIDIA的Grace Hopper和Blackwell GPU，AMD的Instinct“Antares”MI300X GPU）的进步，带来了显著的能效提升。与前代产品相比，这些新一代处理器在每petaFLOPS的功率消耗上大幅下降，尽管每个处理器的原始功率需求显著增加。

根据图1所示，NVIDIA的这两代AI处理器提高了14倍的处理能力，而功率却仅增加了一倍，这是一个巨大的进步。

提高功率密度的需求

然而，随着处理能力的提高，需要在 CRPS外形尺寸 中实现更高的功率密度，以满足新的性能需求。以NVIDIA的 SuperPOD 参考设计为例，该设计包含六个1U CRPS电源插槽，在DGXH100 SuperPOD设计中，PSU配置为4+2冗余。然而，在DGX B200（Blackwell）SuperPOD参考文档中，冗余减少了，其中五个电源需要在任何时刻保持通电状态，这意味着系统可以在单个电源失效的情况下继续运行，但如果多个电源失效，则系统将无法启动。这表明，随着冗余度的降低，电力需求的挤压将会加剧。

宽带隙半导体的应用：SiC和GaN

随着硅半导体达到其物理极限，宽带隙半导体，特别是 碳化硅（SiC） 和 氮化镓（GaN），在电源设计中的应用将为更高密度的电源提供可能。今年早些时候，Navitas Semiconductor 开发了一个 54 V CRPS PSU 的参考设计，将标准 CRPS185 外形尺寸内的输出功率提升了40%（从现有的3.2 kW提高到4.5 kW）。这一设计的功率密度从98 W/in³（3.2 kW PSU）提升到了137 W/in³，显示出在相同外形尺寸下的显著性能提升。

图2展示了这一4.5 kW参考设计与市售3.2 kW CRPS185 PSU在功率密度和效率上的对比。该参考设计在整个负载范围内（10%、20%、50%和100%）的效率均超过了 80PLUS Titanium 的要求，尤其在50%负载时，效率达到了97%以上，超出了标准要求。

无桥交错图腾柱PFC

图3展示了Navitas Semiconductor在该参考设计中采用的 无桥交错图腾柱PFC。与传统桥式整流器相比，这种设计大大减少了元件损耗。使用 SiC MOSFET 来降低开关损失和反向恢复损失，使得PFC能够以远超硅技术的效率运行。这种设计能够提供更高的能效，并满足对现代数据中心电源的高效需求。

GaN在谐振转换器中的应用

在该参考设计中，PFC级为带有全桥方波发生器的 LLC谐振转换器 提供电源，通过CR滤波器和GaN整流器在变压器次级侧提供稳定的54 V输出。通过使用全桥晶体管在储能电路的谐振频率下实现 零电压开关（ZVS），进一步提高了系统效率。尽管谐振组件和相关电路必须在相同的外形尺寸内处理更大的电流，输出功率达到4.5 kW、83 A，设计仍能保持高效。

图4展示了集成驱动器的设计，允许精准控制栅极环路电感。这一设计进一步优化了GaN器件的运行，避免了不必要的电磁干扰。

GaN栅极脆弱性与保护

然而，GaN器件也存在一些挑战，尤其是其 栅极脆弱性。在设计中需要特别注意栅极驱动电路，防止负电压尖峰和振铃的产生。为了解决这一问题，GaNSafe IC 集成了优化的驱动电路，可以有效保护GaN栅极，避免损坏，并能够精确控制输出与栅极之间的电感和电阻。这种设计能在不增加PCB面积的前提下，提高系统的功率密度。