大功率AI服務(wù)器PSU的革新之路

在人工智能浪潮的席卷下，AI服務(wù)器作為支撐各類復(fù)雜AI運(yùn)算的關(guān)鍵硬件，其電源（PSU）的性能表現(xiàn)成為了決定整個(gè)系統(tǒng)效能的重要因素。作為大功率AI服務(wù)器PSU領(lǐng)域的一項(xiàng)重大革新——混合式TCM/CCM控制策略在交錯(cuò)TTP PFC中扮演著重要角色。它是如何從AI服務(wù)器電源發(fā)展趨勢出發(fā)，憑借獨(dú)特的技術(shù)優(yōu)勢，為AI服務(wù)器的穩(wěn)定高效運(yùn)行保駕護(hù)航的？讓我們來深入剖析。

AI服務(wù)器電源新趨勢：更高密度，更高效率

AI技術(shù)的蓬勃發(fā)展，推動(dòng)AI服務(wù)器PSU發(fā)生深刻變革。

在功率方面，為滿足AI服務(wù)器復(fù)雜運(yùn)算的需求，PSU功率持續(xù)提升。在能效上，由于其需要長時(shí)間穩(wěn)定運(yùn)行，因此對(duì)PSU效率和能耗管理要求嚴(yán)苛，高效PSU能降低成本且環(huán)保。在空間有限的數(shù)據(jù)中心，也要求PSU進(jìn)一步提高功率密度，在緊湊設(shè)計(jì)中實(shí)現(xiàn)更高的性能。

先進(jìn)控制策略成為必然選擇，像TCM、CCM及交錯(cuò)圖騰柱PFC技術(shù)，可優(yōu)化電源性能，讓PSU能快速響應(yīng)負(fù)載變化，實(shí)現(xiàn)智能電力管理。模塊化和可擴(kuò)展性設(shè)計(jì)也極為關(guān)鍵，能滿足多樣化功率需求，便于維護(hù)和模塊替換，提升系統(tǒng)可靠性。

此外，AI服務(wù)器運(yùn)行產(chǎn)熱多，高效冷卻和熱管理技術(shù)從風(fēng)冷向液冷升級(jí)，保障系統(tǒng)穩(wěn)定。增強(qiáng)故障容錯(cuò)和預(yù)測性維護(hù)功能，減少停機(jī)風(fēng)險(xiǎn)，確保電力持續(xù)供應(yīng)，是PSU高可靠性的重要體現(xiàn)。

為了支持性能強(qiáng)勁的GPU，AI服務(wù)器電源的功率需求比傳統(tǒng)服務(wù)器高3-10倍，輸出電壓從傳統(tǒng)的12V提升到48/54V，這已逐漸成為市場主流。

目前，單個(gè)PSU功率已攀升至5.5kW、8kW等規(guī)格，未來還會(huì)達(dá)到更高水平。同時(shí)，對(duì)效率的要求也越來越高，不同功率的PSU都有相應(yīng)嚴(yán)格的效率指標(biāo)，例如5.5kW PSU在特定負(fù)載條件下峰值效率可達(dá)97.5%，8kW的PSU則追求更高的功率密度和效率表現(xiàn)。

混合式TCM/CCM控制策略詳解

圖騰柱PFC拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)

圖騰柱PFC拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)在PSU設(shè)計(jì)中應(yīng)用廣泛，主要有單通道和交錯(cuò)式兩種配置。單通道圖騰柱PFC通常適用于4kW以下的功率場合，器件數(shù)量少、電路結(jié)構(gòu)相對(duì)簡單，控制簡單，易于實(shí)現(xiàn)。

交錯(cuò)圖騰柱PFC則適用于對(duì)功率和效率要求更高的大功率場景。它采用兩相或三相交錯(cuò)的方式，工作模式更加靈活，可以是CCM、TCM，甚至是混合模式。在輕載情況下，通過采用TCM模式和相屏蔽技術(shù)，能夠進(jìn)一步提升效率，減少器件損耗，為高功率AI服務(wù)器PSU提供了更可靠的解決方案。

控制模式對(duì)比與選擇

在PFC控制策略中，常見的有CCM（電流連續(xù)模式）、DCM（電流斷續(xù)模式）、CRM（臨界導(dǎo)通模式）和TCM（三角電流模式）。在本次討論的方案中，重點(diǎn)采用了CCM和TCM的混合模式。

CCM的特點(diǎn)是電流連續(xù)，開關(guān)頻率固定。這種模式在高功率、高穩(wěn)定性要求的場合表現(xiàn)出色，因?yàn)槠潆娏鞑y低，能夠提供相對(duì)穩(wěn)定的電流輸出，但其開關(guān)損耗較高，輕載時(shí)效率會(huì)有所下降。

TCM則是一種開關(guān)頻率可變的控制模式，電流波形呈三角形。其優(yōu)勢在于輕載時(shí)開關(guān)損耗低，效率較高。與DCM和CRM相比，TCM和CCM更適合AI服務(wù)器PSU應(yīng)用。DCM的電流斷續(xù)特性導(dǎo)致其工作頻率不穩(wěn)定，且無法實(shí)現(xiàn)零電壓開通，在效率和穩(wěn)定性方面存在不足。CRM雖然也是變頻模式，但同樣沒有零電壓開通的優(yōu)勢，因此在本應(yīng)用場景中未被重點(diǎn)考慮。而TCM和CCM結(jié)合，能夠?qū)崿F(xiàn)零電壓開通，有效提升整體效率，滿足AI服務(wù)器在不同負(fù)載情況下的需求。

混合控制模式優(yōu)勢

混合式TCM/CCM控制模式具有多方面的顯著優(yōu)勢：

優(yōu)化效率：混合策略可根據(jù)負(fù)載情況在TCM和CCM之間切換，從而在廣泛的工作點(diǎn)上優(yōu)化效率。TCM在輕負(fù)載時(shí)由于開關(guān)損耗減少而更高效，而CCM在高負(fù)載時(shí)由于導(dǎo)通損耗較低而更高效。

減少紋波電流：兩相/三相交錯(cuò)有助于顯著減少輸入和輸出電流紋波?；旌戏椒梢酝ㄟ^動(dòng)態(tài)調(diào)整工作模式進(jìn)一步優(yōu)化紋波減少。

增強(qiáng)的熱管理：在兩相之間分配負(fù)載并在TCM和CCM之間切換可以帶來更好的熱性能和更均衡的熱量散布。

改善瞬態(tài)響應(yīng)：在TCM和CCM之間切換，使系統(tǒng)能夠快速適應(yīng)負(fù)載變化，提供更好的瞬態(tài)響應(yīng)。

靈活性和可靠性：混合控制策略在設(shè)計(jì)和應(yīng)用上提供了靈活性，使其適用于各種工作條件。它可以通過減少元件上的應(yīng)力和改善熱管理來提高PFC電路的可靠性。

混合控制模式在交錯(cuò)式TTP PFC中的實(shí)現(xiàn)方式

滯環(huán)電流控制

在交錯(cuò)式TTP PFC中，實(shí)現(xiàn)混合式TCM/CCM控制模式的關(guān)鍵技術(shù)之一是滯環(huán)電流控制。通過設(shè)定電感電流的上下限，讓電感電流在這個(gè)設(shè)定范圍內(nèi)波動(dòng)，從而實(shí)現(xiàn)零電壓開通，有效降低開關(guān)損耗。這種控制方式響應(yīng)快，能夠逐周期對(duì)電流進(jìn)行精確控制，且工作模式切換靈活，可以根據(jù)實(shí)際需求在CCM、TCM或其他模式之間快速切換。但它對(duì)電感電流檢測的要求較高。

電流檢測方案

由于滯環(huán)電流控制對(duì)電感電流檢測的高要求，電流傳感器需要具備多種特性。它必須具備隔離功能，以確保電路的安全性；能夠進(jìn)行雙向檢測，因?yàn)殡娏鞔嬖谡?fù)方向；具有低損耗特性，以減少對(duì)系統(tǒng)效率的影響；實(shí)現(xiàn)快速響應(yīng)和OCP保護(hù)，滿足實(shí)時(shí)控制需求；具備高帶寬，以適應(yīng)變頻信號(hào)。

ST目前采用的是一種復(fù)合方案，即將霍爾傳感器與電流互感器（CT）結(jié)合使用。CT主要用于檢測交流高頻成分，即電感電流中的高頻電紋電流部分；霍爾傳感器負(fù)責(zé)檢測工頻成分。兩者采集的信號(hào)疊加后，能夠得到反映實(shí)際電感電流的原始信號(hào)。此外，ST也在對(duì)高帶寬霍爾傳感器進(jìn)行評(píng)估，探索更優(yōu)的電流檢測解決方案。

在硬件層面，ST方案以STM32G474為核心控制芯片，搭配相關(guān)的功率器件，如不同類型的MOSFET等，構(gòu)建起完整的控制電路。STM32G474具備強(qiáng)大的處理能力和豐富的外設(shè)資源，為實(shí)現(xiàn)復(fù)雜的控制算法提供了硬件基礎(chǔ)。

方案利用STM32G474內(nèi)部的DAC、快速比較器和高分辨率定時(shí)器（HRTIM）實(shí)現(xiàn)滯環(huán)控制、ZVS（零電壓開關(guān)）控制和驅(qū)動(dòng)信號(hào)輸出。控制回路包含一個(gè)1kHz運(yùn)行的電壓外環(huán)，主要作用是穩(wěn)定輸出電壓，使其保持在設(shè)定值；一個(gè)40kHz運(yùn)行的電流內(nèi)環(huán)，用于精確控制電感電流。同時(shí)，還引入了輸入和輸出前饋控制，有效防止輸出電壓波動(dòng)，提高系統(tǒng)穩(wěn)定性。

CCM實(shí)現(xiàn)方式與仿真測試結(jié)果

進(jìn)入CCM模式有兩種常見的實(shí)現(xiàn)方式，即固定紋波帶和固定開關(guān)頻率。以固定紋波帶為例，如設(shè)定紋波帶為4A，在這種情況下，整個(gè)控制過程是變頻操作。另一種方式是固定開關(guān)頻率，例如設(shè)定為70kHz，此時(shí)需要根據(jù)輸入電壓（Vin）、輸出電壓（Vout）、周期（T）和電感值（L）來計(jì)算電感器紋波。通過仿真，得到了不同方式下的電流波形。目前實(shí)際應(yīng)用中采用的是固定紋波帶的方式。

從測試結(jié)果來看，在2000W（純TCM）、3500W（TCM/CCM混合）、4500W（CCM為主）等不同負(fù)載條件下，電流波形表現(xiàn)良好。例如，在2000W純TCM模式下，電流波形交錯(cuò)良好；3500W混合模式時(shí)，CCM和TCM的切換區(qū)域過渡平穩(wěn)；4500W以CCM為主時(shí)，CCM區(qū)間穩(wěn)定工作。這些結(jié)果充分驗(yàn)證了方案的可行性和有效性，尤其是電流過零部分無明顯畸變，表現(xiàn)理想，對(duì)PFC性能的提升效果顯著，為AI服務(wù)器PSU的實(shí)際應(yīng)用提供了可靠保障。

由此可見，混合式TCM/CCM控制策略在交錯(cuò)TTP PFC中的應(yīng)用，為大功率AI服務(wù)器PSU帶來了性能上的巨大提升。ST針對(duì)高功率AI服務(wù)器電源精心打造了專業(yè)設(shè)計(jì)套件，并提供全面的產(chǎn)品組合，充分滿足多樣化的設(shè)計(jì)需求，為AI服務(wù)器電源的發(fā)展注入強(qiáng)大動(dòng)力。展望未來，該技術(shù)體系有望持續(xù)優(yōu)化，為AI領(lǐng)域發(fā)展筑牢電力根基。