隨著人工智能算力需求的持續(xù)增長(zhǎng)，數(shù)據(jù)中心服務(wù)器功率密度快速提升，驅(qū)動(dòng)供電架構(gòu)向更高功率等級(jí)與更高可靠性演進(jìn)。在這一過(guò)程中，PSU、BBU 與 CBU 逐步形成協(xié)同供電體系，對(duì)電源系統(tǒng)的效率、穩(wěn)定性與系統(tǒng)集成能力提出更高要求。

圍繞服務(wù)器供電架構(gòu)的演進(jìn)，本文重點(diǎn)解析 PSU 及 BBU、CBU 備電系統(tǒng)的設(shè)計(jì)邏輯與關(guān)鍵芯片需求。納芯微基于供電與備電全鏈路，提供覆蓋電流檢測(cè)、電壓采樣、驅(qū)動(dòng)控制、通信隔離及電源管理等環(huán)節(jié)的系統(tǒng)級(jí)芯片解決方案，支撐高功率服務(wù)器電源系統(tǒng)在效率與可靠性方面實(shí)現(xiàn)綜合優(yōu)化。

01

PSU邁向高壓與高功率密度

核心供電單元

在數(shù)據(jù)中心供電體系中，服務(wù)器電源模塊（PSU）負(fù)責(zé)將交流電轉(zhuǎn)換為穩(wěn)定直流電源。近年來(lái)，隨著AI服務(wù)器功率需求的提升，PSU功率等級(jí)也持續(xù)升級(jí)：從早期3kW、5.5kW級(jí)服務(wù)器電源模塊，逐步發(fā)展到面向AI與云計(jì)算時(shí)代數(shù)據(jù)與算力中心的8kW、12kW、18kW級(jí)別，并進(jìn)一步提升至面向下一代AI服務(wù)器的單體30+kW級(jí)PSU。高功率密度電源正在成為新一代數(shù)據(jù)中心基礎(chǔ)設(shè)施的重要組成部分。

隨著功率等級(jí)的持續(xù)提升，大功率PSU輸入形式也由傳統(tǒng)單相交流變?yōu)榱巳嘟涣鬏斎?/strong>，輸出電壓也從傳統(tǒng)的12V升上至48V（54V）或更高的HVDC電壓（±400V或800V），以降低電流并改善系統(tǒng)熱設(shè)計(jì)條件。

從系統(tǒng)結(jié)構(gòu)來(lái)看，服務(wù)器PSU通常由功率因數(shù)校正（PFC）級(jí)和隔離DC/DC變換級(jí)構(gòu)成。輸入交流電首先在PFC級(jí)完成整流與功率因數(shù)校正，并建立穩(wěn)定的高壓直流母線（DC Link）；隨后通過(guò)LLC諧振變換級(jí)實(shí)現(xiàn)高效率隔離變換，輸出穩(wěn)定的12V、48V（54V）或HVDC電壓，為服務(wù)器負(fù)載供電。

隨著功率密度要求的不斷提升，PSU中的功率器件技術(shù)路線也在持續(xù)升級(jí)。寬禁帶器件能夠顯著降低開(kāi)關(guān)損耗，并支持更高開(kāi)關(guān)頻率，從而提升系統(tǒng)效率與功率密度。因此，PFC級(jí)逐步由傳統(tǒng)Si MOSFET向SiC MOSFET演進(jìn)，而LLC則開(kāi)始越來(lái)越多地采用SiC或GaN器件。

在此類(lèi)高功率電源系統(tǒng)中，除了功率器件本身，電流檢測(cè)、電壓采樣以及柵極驅(qū)動(dòng)等模擬與隔離器件同樣是系統(tǒng)穩(wěn)定運(yùn)行的重要基礎(chǔ)。

電流檢測(cè)模塊需要實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)輸入電流、諧振電流以及輸出電流，以支持系統(tǒng)閉環(huán)控制與保護(hù)功能；電壓檢測(cè)模塊用于實(shí)現(xiàn)母線電壓與輸出電壓的精確采樣；而隔離柵極驅(qū)動(dòng)器則負(fù)責(zé)驅(qū)動(dòng)Si、SiC或GaN功率器件，實(shí)現(xiàn)高速開(kāi)關(guān)控制。

在 PSU中，輸入側(cè)、諧振側(cè)、輸出側(cè)與備電支路對(duì)電流檢測(cè)的帶寬、隔離等要求不同，因此可根據(jù)具體節(jié)點(diǎn)選擇分流器+檢測(cè)放大器、隔離放大器、霍爾電流傳感器等不同實(shí)現(xiàn)方式。

在電流檢測(cè)方面，納芯微提供包括NSM201x、NSM211x、NSM204x系列霍爾電流傳感器，以及NSCSA21x、NSCSA24x系列電流檢測(cè)放大器在內(nèi)的多種方案，可滿足高帶寬與高精度電流監(jiān)測(cè)需求，為電源控制環(huán)路提供穩(wěn)定的反饋信號(hào)。

在高 dv/dt 開(kāi)關(guān)環(huán)境下，隔離柵極驅(qū)動(dòng)與隔離采樣鏈路的 CMTI、延遲等特性將直接影響系統(tǒng)效率與穩(wěn)定性。納芯微提供多款隔離柵極驅(qū)動(dòng)器，其中NSI6601、NSI6601M、NSI6601xE、NSI6801E系列單通道驅(qū)動(dòng)器以及NSI6602V系列半橋驅(qū)動(dòng)器，均可在高 dv/dt 環(huán)境下保持穩(wěn)定驅(qū)動(dòng)能力，適用于SiC與GaN功率器件的高速開(kāi)關(guān)控制。

此外，在系統(tǒng)電壓檢測(cè)與反饋控制環(huán)節(jié)，納芯微提供NSI1400、NSI1300、NSI1200C、NSI1312、NSI1311、NSI1611及NSI36xx系列隔離放大器，以及NSOPA9xxx、NSOPA8xxx、NSOPA610x系列運(yùn)算放大器，可實(shí)現(xiàn)高精度電壓采樣，為系統(tǒng)控制器提供穩(wěn)定的反饋信號(hào)。通過(guò)在電流檢測(cè)、電壓采樣及驅(qū)動(dòng)控制等關(guān)鍵節(jié)點(diǎn)進(jìn)行協(xié)同設(shè)計(jì)，可進(jìn)一步提升服務(wù)器 PSU 系統(tǒng)的整體效率與可靠性。

隨著AI服務(wù)器功率持續(xù)提升，高功率、高效率服務(wù)器PSU將成為數(shù)據(jù)中心電源系統(tǒng)的重要發(fā)展方向。圍繞功率器件驅(qū)動(dòng)、隔離采樣以及精密信號(hào)鏈等關(guān)鍵環(huán)節(jié)，高性能模擬與隔離芯片也將在下一代數(shù)據(jù)中心電源架構(gòu)中發(fā)揮越來(lái)越重要的作用。

02

BBU與CBU

構(gòu)建多層級(jí)備電體系的關(guān)鍵支撐

BBU通常由鋰電池組和DC/DC電源模塊組成。當(dāng)市電或主電源出現(xiàn)中斷時(shí)，BBU可在短時(shí)間內(nèi)為服務(wù)器系統(tǒng)提供持續(xù)供電，通?？删S持?jǐn)?shù)分鐘，以保障關(guān)鍵數(shù)據(jù)完成寫(xiě)入，并支持系統(tǒng)安全關(guān)機(jī)。機(jī)架級(jí)BBU的輸出能力通常需要與對(duì)應(yīng)機(jī)架PSU的供電等級(jí)相匹配。

在系統(tǒng)拓?fù)渖希?strong>BBU中的DC/DC模塊多采用非隔離雙向變換結(jié)構(gòu)，以實(shí)現(xiàn)電池充放電過(guò)程中的雙向能量流動(dòng)。常見(jiàn)實(shí)現(xiàn)方式包括多相Buck-Boost結(jié)構(gòu)或四開(kāi)關(guān)Buck-Boost拓?fù)?，并?a target="_blank">MCU或數(shù)字控制器實(shí)現(xiàn)電池管理與能量調(diào)度。

在實(shí)際數(shù)據(jù)中心系統(tǒng)中，BBU與CBU承擔(dān)的角色有所不同。BBU主要用于應(yīng)對(duì)電源中斷場(chǎng)景，提供分鐘級(jí)持續(xù)供電；CBU更偏“毫秒到秒級(jí)”的瞬態(tài)功率波動(dòng)的吸收或補(bǔ)償。

CBU通常采用超級(jí)電容作為儲(chǔ)能介質(zhì)。相比電池，超級(jí)電容具有更高功率密度、更快充放電速度以及更長(zhǎng)循環(huán)壽命，更適合用于短時(shí)間功率補(bǔ)償。

當(dāng)服務(wù)器負(fù)載發(fā)生快速變化時(shí)，CBU可以在極短時(shí)間內(nèi)釋放或吸收能量，從而穩(wěn)定系統(tǒng)母線電壓。在部分應(yīng)用場(chǎng)景中，CBU也可在短時(shí)間掉電情況下提供瞬態(tài)能量支撐，保障關(guān)鍵系統(tǒng)狀態(tài)平穩(wěn)過(guò)渡。

在系統(tǒng)架構(gòu)上，CBU同樣通過(guò)雙向DC/DC模塊實(shí)現(xiàn)超級(jí)電容與系統(tǒng)母線之間的能量交換，其拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)通常與BBU類(lèi)似，多采用Buck-Boost架構(gòu)，并通過(guò)控制器進(jìn)行動(dòng)態(tài)調(diào)節(jié)。

在BBU與CBU系統(tǒng)中，需要對(duì)電池或超級(jí)電容的電流、電壓以及系統(tǒng)運(yùn)行狀態(tài)進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)，同時(shí)通過(guò)驅(qū)動(dòng)電路控制功率器件實(shí)現(xiàn)能量轉(zhuǎn)換。因此，電流檢測(cè)、電壓采樣以及通信隔離等功能模塊是系統(tǒng)穩(wěn)定運(yùn)行的重要基礎(chǔ)。

針對(duì)上述需求，納芯微提供多類(lèi)關(guān)鍵器件解決方案。例如，NSM201x、NSM211x、NSM2311、NSM204x系列霍爾電流傳感器，以及NSCSA21x、NSCSA24x系列電流檢測(cè)放大器可用于電池充放電電流檢測(cè)；NS800RT1137、NS800RT3025系列MCU可承擔(dān)系統(tǒng)主控功能，并結(jié)合NSI822x、NSI823x、NSI824x、NIRS21、NIRS31系列數(shù)字隔離器及NSI1042、NSI1050 隔離 CAN 接口，實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)通信與隔離控制。

在輔助電源（AUX power）部分，納芯微提供覆蓋反激與 Buck 拓?fù)涞碾娫垂芾硇酒?strong>NSR28C4x、NSR284x、NSR2240x、NSR2260x系列反激電源芯片及即將發(fā)布的NSV2801/2系列，以及NSR1143x、NSR1103x系列 Buck 轉(zhuǎn)換器，為控制、驅(qū)動(dòng)、采樣及通信模塊提供穩(wěn)定供電支撐，提升服務(wù)器供電系統(tǒng)的整體可靠性。

隨著AI服務(wù)器功率規(guī)模不斷提升，備電系統(tǒng)在數(shù)據(jù)中心供電架構(gòu)中的作用也愈發(fā)關(guān)鍵，通過(guò)合理的系統(tǒng)設(shè)計(jì)與關(guān)鍵芯片協(xié)同應(yīng)用，可以有效提升服務(wù)器備電系統(tǒng)的穩(wěn)定性與安全性。