硬核拆解！華為無(wú)散熱片3000W服務(wù)器電源，功率密度竟高達(dá)6.114W/mm3

電子發(fā)燒友網(wǎng)報(bào)道（文/李誠(chéng)）隨著產(chǎn)業(yè)的數(shù)字化轉(zhuǎn)型，通信基站、數(shù)據(jù)中心逐漸增多，能源壓力愈發(fā)緊張。據(jù)相關(guān)資料顯示，預(yù)計(jì)至2025年通信站點(diǎn)數(shù)量將增至7000萬(wàn)個(gè)，年耗電量超過(guò)6700億度；數(shù)據(jù)中心將增至2400萬(wàn)機(jī)架，年耗電量超過(guò)9500億度。數(shù)以億計(jì)的用電量讓人陷入了沉思，在“雙碳”的大背景下，節(jié)能減排已成為全人類(lèi)的共同目標(biāo)，也掀起了各行業(yè)的能源革命。

以通信業(yè)務(wù)起家的華為，在通信基站、服務(wù)器領(lǐng)域均有布局，秉承著“極簡(jiǎn)、綠色、智能、安全”的理念，推出了多款應(yīng)用于服務(wù)器的電源產(chǎn)品。
近日，B站博主@機(jī)魂發(fā)布了一條關(guān)于電源拆解的視頻深深吸引了小編。拆解的是一款來(lái)自華為的鈦金級(jí)3000W氮化鎵服務(wù)器電源。據(jù)博主介紹，該電源型號(hào)為PAC3000S12-T1，是華為幾年前的一款產(chǎn)品，電源功率密度極高，系統(tǒng)轉(zhuǎn)換效率更是高達(dá)96%。

淺看元器件布局，揭露高功率密度的秘密
通過(guò)查閱相關(guān)資料發(fā)現(xiàn)，華為有用多款服務(wù)器電源產(chǎn)品，輸出電壓均為12V，輸出功率涵蓋了900W至3000W不等，封裝尺寸均為68mm x 183mm x 40.5mm，183mm的身長(zhǎng)與業(yè)界平均水平265mm相比縮短了不少，體積控制到了490.62mm³，以至于功率密度高達(dá)6.114W/mm³。而常規(guī)的消費(fèi)類(lèi)氮化鎵電源的功率密度只有1.1W/mm³，即使與專用的服務(wù)器電源相比，這款電源的功率密度也提升了50%以上。同時(shí)支持90~264V直流電壓和180V~300V交流電壓輸入，12.3V/243.9A輸出。
PAC3000S12-T1是如何實(shí)現(xiàn)功率密度高達(dá)6.114W/mm³的呢？通過(guò)以上三款華為服務(wù)器電源內(nèi)部對(duì)比發(fā)現(xiàn)，這三款底面PCB的大小是一致的，900W和1200W的電源內(nèi)部空間看起來(lái)比較寬裕，并且都接入了較大的鋁基散熱板，增強(qiáng)電源系統(tǒng)的散熱性能。而3000W的電源內(nèi)部取消了散熱板的設(shè)計(jì)，采用了PCB橫、豎拼接的方式，將有限的空間利用率提至最高，并且塞滿元器件，在電源輸出側(cè)還采用了MLCC電容疊焊的設(shè)計(jì)，從整體來(lái)看這款電源非常緊湊。
由于這款電源的內(nèi)部空間有限，設(shè)計(jì)師盡可能地為其他元件預(yù)留充足的空間，將兩個(gè)PFC電感設(shè)計(jì)為一個(gè)整體，共用一組磁芯，合封在一起。這也是功率高密度的一個(gè)體現(xiàn)。

從這款電源的外觀、元器件布局來(lái)看，雖然很緊湊，但是一點(diǎn)不亂，這也體現(xiàn)了華為PCB設(shè)計(jì)工程師水平之高，既要考慮元器件布局時(shí)的電磁兼容問(wèn)題，又要考慮如何布局才能使電源體積更小，僅在這一部分就花費(fèi)了不少的心血。

深入電源內(nèi)部，了解電源框架與用料

在系統(tǒng)電路方面，這款3000W服務(wù)器電源采用了PFC+LLC的電源架構(gòu)。這款電源采用的PFC拓?fù)錇榻诲e(cuò)式圖騰柱PFC，圖騰柱PFC是一種新的PFC形式，是目前已知的電路拓?fù)渲惺褂媒M件最少的，與傳統(tǒng)PFC拓?fù)湎啾?，?dǎo)通損耗更低、轉(zhuǎn)換效率更高。
在圖騰柱PFC部分共采用了12顆MOSFET，其中高頻橋臂使用了8顆氮化鎵MOSFET，據(jù)博主推測(cè)這8顆氮化鎵MOSFET為GaN Systems的GS66516T 650V增強(qiáng)型氮化鎵MOSFET，采用了低電感的GaNPX?封裝，導(dǎo)通電阻僅為25mΩ。低頻橋臂使用了導(dǎo)通電阻為28mΩ的4顆硅基MOSFET，型號(hào)為英飛凌的IPT60R028G7 最大導(dǎo)通電壓為650V，這些MOSFET都是通過(guò)兩兩并聯(lián)，互相交錯(cuò)連接的。PFC主控芯片為ST專門(mén)針對(duì)數(shù)字電源轉(zhuǎn)換應(yīng)用的STM32F334。
LLC電路采用的是LLC諧振半橋結(jié)構(gòu)，使用了4顆與PFC電路同型號(hào)的氮化鎵MOSFET。輔助電源使用的是英飛凌的準(zhǔn)諧振反激 PWM 控制器ICE2QR2280G，這款控制器具備了數(shù)字頻率降低功能，能夠在負(fù)載減小時(shí)保證運(yùn)行的穩(wěn)定性，同時(shí)在轉(zhuǎn)換效率和抗電磁干擾方面均有不錯(cuò)的表現(xiàn)。12V輸出使用的是東芝的N溝道MOSFET，導(dǎo)通電阻僅為0.41mΩ。

通過(guò)拆解發(fā)現(xiàn)，華為的這款電源用料十足，共堆了12顆氮化鎵MOSFET，GS66516T在元器件交易平臺(tái)的售價(jià)顯示為275元每顆，僅僅12顆氮化鎵MOSFET總價(jià)值就達(dá)到了3300元，華為的堆料能力真的是把小編給折服了，嚴(yán)重懷疑設(shè)計(jì)師在設(shè)計(jì)這款電源時(shí)沒(méi)有考慮成本。

散熱與效率

電源在工作時(shí)會(huì)持續(xù)發(fā)熱，隨著溫度的升高，電源的性能也會(huì)受到影響，電源組件壽命也會(huì)縮短，最終可能導(dǎo)致系統(tǒng)故障。因此電源的熱管理十分關(guān)鍵。
通過(guò)電源拆解發(fā)現(xiàn)，電源內(nèi)部竟沒(méi)有安裝散熱片，散熱全靠電源輸入端旁的12V/4A的風(fēng)扇完成，該風(fēng)扇在滿轉(zhuǎn)速的情況下可達(dá)4W轉(zhuǎn)，畢竟這款電源輸出功率高達(dá)3000W，產(chǎn)生的熱量不可小覷。但是不足之處就是在大轉(zhuǎn)速下，風(fēng)扇的聲音也會(huì)很大。

下“重本”的電源效率為何僅有96%呢？由于散熱采用的是12V/4A的風(fēng)扇，在運(yùn)行狀態(tài)下風(fēng)扇的損耗是很大的。以及由于輸出電流高達(dá)243.9A，因此在同步整流環(huán)節(jié)的導(dǎo)通損耗非常高，同時(shí)，當(dāng)243.9A大電流經(jīng)過(guò)變壓器時(shí)也會(huì)產(chǎn)生很高的銅損。這三個(gè)方面的損耗是這款電源的效率提不上去的主要原因。

結(jié)語(yǔ)

雖說(shuō)這是一款幾年前的產(chǎn)品，但在大功率、高密度、高效率方面都能夠滿足現(xiàn)在服務(wù)器電源的發(fā)展需求，再加上錯(cuò)落有致的元器件布局，可以看出華為的研發(fā)團(tuán)隊(duì)還是相當(dāng)有實(shí)力的。