服務(wù)器電源需求激增，高效能與高可靠性如何雙重突破？

本文來源：安森美（onsemi）

本文作者：安森美（onsemi）模擬與混合信號(hào)事業(yè)部應(yīng)用專家 Micky Wu

隨著近幾年云計(jì)算、大數(shù)據(jù)技術(shù)的爆發(fā)式演進(jìn)，服務(wù)器作為支撐數(shù)字經(jīng)濟(jì)時(shí)代的基石設(shè)施，其部署規(guī)模正以前所未有的速度激增，正如《2022-2023全球計(jì)算力指數(shù)評(píng)估報(bào)告》顯示，中國整體服務(wù)器市場(chǎng)規(guī)模在2017至2022年的復(fù)合增長率高達(dá)48.8%。鑒于此類設(shè)備天然的高能耗、高電耗特性，服務(wù)商們迫切尋求通過采用高度集成化的組件技術(shù)和解決方案，來設(shè)計(jì)和實(shí)施既能保證卓越性能，又能實(shí)現(xiàn)緊湊布局與強(qiáng)大可靠性的電源系統(tǒng)。在這方面，安森美(onsemi)憑借其業(yè)界領(lǐng)先的電源管理技術(shù)，成為眾多企業(yè)理想的選擇伙伴。打造高效能服務(wù)器電源系統(tǒng)的關(guān)鍵要點(diǎn)

在大型數(shù)據(jù)中心或服務(wù)器中，隨著處理器的演進(jìn)，晶體管數(shù)量越來越多，需要越來越高的輸出電流。此外，為了控制整個(gè)系統(tǒng)的運(yùn)行效率，使得設(shè)備能在空閑時(shí)以更低電流運(yùn)行，在需要時(shí)再按全功率運(yùn)行，服務(wù)器電源需具有大電流、低電壓，并且對(duì)電壓精度、紋波、快速瞬態(tài)響應(yīng)都有比較高的要求，因此，目前多相電源成為服務(wù)器供電的主流方案。

一個(gè)多相電源是由一個(gè)控制器配合幾個(gè)或十幾個(gè)功率級(jí)（powerstage）組成的完整方案，控制器是多相電源的重要組成部分，通常采用PWM脈沖寬度調(diào)制技術(shù)來控制輸出電壓，并通過改變脈沖調(diào)制的周期來控制其輸出頻率，因此對(duì)相關(guān)芯片的設(shè)計(jì)、制造工藝等方面有著較高要求。

功率級(jí)則可以理解為由2個(gè)MOSFET和一個(gè)DriverIC合封而成，由于傳統(tǒng)的供電設(shè)計(jì)中將上行MOS管、下行MOS管和驅(qū)動(dòng)器單獨(dú)放置，將導(dǎo)致占用較多PCB面積，降低電流的整體轉(zhuǎn)換效率，功率級(jí)因此能夠在有限的尺寸面積上提供更高的效率和性能。

此外，多相電源由多相協(xié)同工作，每個(gè)相位的開關(guān)必須交錯(cuò)開關(guān)并控制，以優(yōu)化負(fù)載調(diào)節(jié)、紋波、瞬態(tài)響應(yīng)，其最大的優(yōu)勢(shì)就是可擴(kuò)展性比較好，用戶可以根據(jù)輸出電流的大小來決定功率級(jí)的數(shù)量，同時(shí)由于是多個(gè)功率級(jí)，在工作時(shí)熱源就相對(duì)能夠均勻分布，不會(huì)因?yàn)闊嵩催^于集中而導(dǎo)致芯片過熱。

在早期的多相電源方案中，控制器只需提供給功率級(jí)一個(gè)PWM信號(hào)就可以正常工作，但現(xiàn)在的產(chǎn)品還集成了諸如電流檢測(cè)、溫度檢測(cè)、故障上報(bào)的功能使其變得更加智能，因此安森美也把這類產(chǎn)品稱為智能功率級(jí)(SPS)方案。在選擇SPS產(chǎn)品時(shí)，則往往需要考慮控制器部分是否足夠智能以擁有電流、溫度檢測(cè)等功能、上下兩個(gè)MOS管本身的性能如何、器件的封裝是否成熟以便于散熱及滿足焊接的可靠性需求等三大主要因素。

安森美的智能功率級(jí)SPS器件系列目前覆蓋了從30A到100A的電流范圍，在一個(gè)QFN封裝中集成了高邊FET、低邊FET和驅(qū)動(dòng)器IC、保護(hù)和檢測(cè)功能，為服務(wù)器多相穩(wěn)壓器提供同類最佳的電源轉(zhuǎn)換能效，用以優(yōu)化服務(wù)器系統(tǒng)、降低總物料單(BOM)成本。

例如100A功率級(jí)FDMF5085與90A功率級(jí)FDMF5071具有完全優(yōu)化、超緊湊的集成MOSFET和先進(jìn)的驅(qū)動(dòng)器IC電流和溫度傳感器，適用于高電流、高頻和同步降壓DC-DC轉(zhuǎn)換器。此外，該類器件還提供輸出信號(hào)（IMON），報(bào)告實(shí)時(shí)模塊電流，IMON信號(hào)可用于代替電感器DCR電流檢測(cè)或電阻器檢測(cè)方法，還有精確的熱監(jiān)測(cè)（TMON），在25°C時(shí)提供0.8V輸出，斜率為8mV/°C。

而在多相控制器上，安森美同樣有針對(duì)VR13.HC服務(wù)器平臺(tái)的8相數(shù)字控制器產(chǎn)品FD3501以及針對(duì)VR14服務(wù)器平臺(tái)的8相數(shù)字控制器FD5001以及12相數(shù)字控制器FD5012，以及目前最最熱門的AI供電方案的16相數(shù)字控制器FD5100，都具有卓越的瞬態(tài)響應(yīng)、可編程性和易用性。

確保服務(wù)器穩(wěn)定供電的“安全衛(wèi)士”

另一方面，在設(shè)計(jì)服務(wù)器電源方案時(shí)，設(shè)計(jì)人員除了需要考慮提升能效和功率密度外，還要確保盡可能高的安全性和可靠性，特別是服務(wù)器通常具有可擴(kuò)展性和熱插拔功能，以滿足不同的處理要求并保持高系統(tǒng)可用性。因此，為了實(shí)現(xiàn)無縫熱插拔功能，在服務(wù)器電源系統(tǒng)中，電子保險(xiǎn)絲(eFuse) 同樣扮演著至關(guān)重要的角色，它是確保整個(gè)供電網(wǎng)絡(luò)穩(wěn)定性和設(shè)備安全的關(guān)鍵組件之一。

不同于傳統(tǒng)的熱熔斷保險(xiǎn)絲，eFuse使用低導(dǎo)通電阻MOSFET，除了在正常運(yùn)行期間和發(fā)生熱插拔時(shí)保護(hù)外設(shè)外，還可用于可能發(fā)生電源故障或負(fù)載故障以及可能需要限制浪涌、沖擊電流的任何應(yīng)用。除了為器件、連接器和PCB走線提供保護(hù)之外，它們通常還集成過流、過熱及過壓保護(hù)，且提供診斷和控制功能，比傳統(tǒng)熔絲、PTC自恢復(fù)保險(xiǎn)絲及熱插拔控制器都更有優(yōu)勢(shì)，是一種經(jīng)濟(jì)高效的替代方案。

安森美高效、可靠和緊湊的eFuse方案陣容可覆蓋3V至48V的電源范圍，這些方案通常內(nèi)置實(shí)時(shí)診斷功能、精密控制和多重保護(hù)特性，響應(yīng)快，性能和可靠性優(yōu)于競(jìng)爭(zhēng)對(duì)手。例如NCP81295/6熱插拔控制器支持最高60A峰值電流（連續(xù)50A），基于0.65m?的內(nèi)部MOSFET以實(shí)現(xiàn)高效運(yùn)行，采用5mmx 5mm 32引腳QFN封裝，提供閂鎖或自動(dòng)重試版本，適合在高達(dá)+125°C的溫度下使用。

小電流eFuse方案則多是用于硬盤電源的保護(hù)，因?yàn)橛脖P通常設(shè)計(jì)為獨(dú)立的硬盤陣列，所以會(huì)有限流和插拔的要求，這類eFuse功能也包含過流保護(hù)、短路保護(hù)、過溫保護(hù)、電流檢測(cè)以及輸出的故障上報(bào)，并且還會(huì)要求有一些抗噪聲能力。

NIS5021是安森美12V12A電子保險(xiǎn)絲器件，常與熱插拔硬盤一起使用，使其不處于可能損壞敏感電路的任何過輸入電壓，內(nèi)置電壓鉗位限制輸出電壓以保護(hù)負(fù)載，同時(shí)保持連續(xù)供電，使驅(qū)動(dòng)器可持續(xù)正常工作。NIS5420則是一個(gè)12V5A的電子保險(xiǎn)絲，它的輸入電壓范圍是8V到18V，同樣帶有輸出過流保護(hù)和短路保護(hù)功能。

事實(shí)上，除了上述產(chǎn)品外，安森美提供的端到端電源解決方案還包括負(fù)載點(diǎn)DC-DC穩(wěn)壓器、單路BUCK控制器、LDO產(chǎn)品等，在面對(duì)不斷升級(jí)的服務(wù)器電源需求下，安森美也將研發(fā)更高轉(zhuǎn)換效率、更強(qiáng)穩(wěn)定性的電源模塊，實(shí)現(xiàn)精細(xì)化、動(dòng)態(tài)化的電源分配和能效優(yōu)化，推動(dòng)整個(gè)行業(yè)的技術(shù)進(jìn)步。