摘要

如今在AI、機器學習和流媒體等領域的數據處理的劇增，使服務器芯片消耗的峰值電源電流可能超過1000 A。相關應用的電源轉換模塊必須比過去安裝得更近，才能避免電壓降。本博客文章介紹了垂直式電源模塊，能夠幫助解決這個問題。

從使用異乎尋常的能力模擬人類思維并即時回復信息的毫不起眼的家庭助手，到通過邊緣計算和云端來控制大型工廠，AI和“大數據”的影響遍及我們的生活。這些驚人的性能表現要歸功于服務器中的快速自我學習的軟件算法與芯片，現在這類服務器中擁有多達數十億計的晶體管。雖然數據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（現場可編輯邏輯門陣列）和ASIC（專用集成電路）的物理尺寸卻無法再增大了，它們必須維持緊湊的尺寸以保障速度，而數據中心經理們需要在機架中裝入更多的服務器刀片，以實現對空間與硬件的最佳利用。

電流消耗隨數據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，以至于在高電流轉換率下連續消耗數百安（A）電流，峰值超過一千安。設計人員降低了電源軌電壓，以將產生的額外耗散最小化，但這使配電網絡（PDN，power distribution network）的設計變得復雜。因此，常見的方案是先使用“中間總線轉換器（IBC）”進行功率轉換，然后使用“負載點（PoL）”轉換器或穩壓模塊（VRM）來使損耗最小化（圖 1）。方案中PoL/VRM被置于盡可能靠近端負載的同一橫向平面上，但在最高電流下，即使安裝在負載附近的連接距離也仍然會沿軌道產生來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Flex Power Modules最新定制的產品與設計能力來實現。這類DC/DC轉換器產品的術語名為“垂直供電（VPD）”，它們的引腳排列經過定制，有著多達2400個焊球，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。將轉換級直接放置在負載下方，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，幫助提升系統效率和負載瞬態響應。

圖2展示了一個VPD模塊的示例方案，該模塊可以在1-7個電壓軌下實現8-32相功率轉換。

圖2：為垂直供電配置的Flex Power Modules的PoL DC/DC轉換器

這個近期案例是為關鍵客戶開發的定制產品，額定電流為連續670 A/峰值1300 A，在5-7.5 V輸入范圍下運行，輸出0.6-0.9 V可編程電壓，效率為86%。使用時需要一個外部控制器組件，同樣由Flex Power Modules開發，可以處理16相并聯功率級電路，而且包含監控與告警功能。實物上來說，該案例的尺寸為43 x 22 x 6 mm（長*寬*高），包含800個用于BGA連接的焊球。產品產生的熱量透過一塊通常使用液體冷卻的冷板來散熱，冷板安裝在模塊的頂側，功率半導體也被安裝在同一面。

VPD解決方案最好量身定制

為獲得最優方案，VPD模塊針對應用的具體情況進行定制設計，其引腳排列與目標負載芯片相匹配，而且電氣規格也量身定做。這將會決定電源相位的數量和電壓，同時VPD的散熱性能將匹配可用的散熱條件，通常稱為“直接到達芯片”或D2C冷卻。Flex Power Modules接下來會繼續與該客戶合作，以滿足所要求的功率和成本預算、時間范圍和性能表現。

VPD產品的未來

Flex Power Modules提供定制化設計研發來擴展其VPD系列產品的規模，以緊跟行業中既要維持功率質量、又不斷刷新的峰值電流需求。留意您下一個想要攀登的巔峰，它必將會插上Flex Power Modules的旗幟。

關于Flex Power Modules

Flex Power Modules是Flex公司的一條業務分支，是可擴展DC/DC電源轉換器的領先制造商和解決方案提供商，主要服務于數據處理、通信、工業和運輸市場等領域。公司提供廣泛的隔離式和非隔離式解決方案，其數字化DC/DC轉換器產品擁有由強大的Flex Power Designer支持的PMBus兼容性。