作者：Kenton Williston

投稿人：DigiKey 北美編輯

人工智能 (AI) 和機器學習 (ML) 的興起提出了前所未有的電力需求。下一代數(shù)據(jù)中心在電源管理、效率和可靠性方面面臨著巨大挑戰(zhàn)。傳統(tǒng)的電源解決方案往往難以在單個組件和整體數(shù)據(jù)中心基礎(chǔ)設(shè)施管理 (DCIM) 層面滿足這些需求。先進的電源組件和集成監(jiān)控解決方案提供了全面的方法，能夠應對這些挑戰(zhàn)。

例如，混合電容器技術(shù)可提供穩(wěn)定的電力傳輸；超低等效串聯(lián)電阻 (ESR) 解決方案可提高大電流功率轉(zhuǎn)換的效率；高精度電阻器可實現(xiàn)精確的電力監(jiān)控；無線集成可實現(xiàn)全面的電源管理。

本文將探討這些要素如何有助于為人工智能驅(qū)動型數(shù)據(jù)中心構(gòu)建強大的電源管理系統(tǒng)。然后，介紹 [Panasonic]在所有四個領(lǐng)域的解決方案，并演示其在現(xiàn)代數(shù)據(jù)中心環(huán)境中的應用。

利用混合電容器技術(shù)為數(shù)據(jù)中心實現(xiàn)高效的電力輸送

現(xiàn)代數(shù)據(jù)中心需要大量的電源轉(zhuǎn)換，通常需要從電網(wǎng)獲得數(shù)百千伏交流電 (kVAC)。這種電壓首先被降至數(shù)十千伏電流電 (kVAC)，然后再配送到整個數(shù)據(jù)中心園區(qū)。然后，轉(zhuǎn)換為數(shù)百伏交流電 (VAC)，再配送至設(shè)備機架。

在機架一級，交流電被轉(zhuǎn)換為直流電，通常轉(zhuǎn)換為 12 VDC，以滿足 IT 設(shè)備的要求。最后，在每臺設(shè)備內(nèi)部，電壓被進一步調(diào)節(jié)到較低水平，通常在 1.1 V 至 5 V 之間，以便為處理器和內(nèi)存模塊等單個組件供電。

該供電鏈條中的每一步都會產(chǎn)生損耗，嚴重影響數(shù)據(jù)中心的整體效率。數(shù)據(jù)中心電源設(shè)計人員越來越多地采用氮化鎵 (GaN) 等寬帶隙 (WBG) 半導體，盡量減少隨后轉(zhuǎn)換級的損耗。與傳統(tǒng)硅 (Si) 器件相比，WBG 器件憑借更高的開關(guān)頻率、更低的傳導損耗實現(xiàn)了更高的效率。

然而，這些轉(zhuǎn)換器中使用的電容器技術(shù)給設(shè)計帶來了巨大挑戰(zhàn)。電源系統(tǒng)設(shè)計人員歷來采用兩種成熟的電容器技術(shù)：傳統(tǒng)的鋁電解電容器和聚合物電容器，前者的特點是漏電流低，后者則具有出色的 ESR 特性。Panasonic 的 [EEH 系列]混合型鋁電解電容器（圖 1）提供了第三種選擇，這種電容器結(jié)合了兩者的優(yōu)點，最大限度地減小了漏電流和 ESR 造成的損耗。

圖 1：EEH 系列混合型鋁電解電容器將漏電流和 ESR 導致的損耗降至最低。（圖片來源：Panasonic）

混合電容器的其他優(yōu)勢包括：通過開路故障模式提高可靠性，以及在遠高于傳統(tǒng)設(shè)計的頻率下仍保持額定電容。傳統(tǒng)電容器在數(shù)十個千赫茲 (kHz) 的頻率下開始失去效能，而混合電容器在接近 1 兆赫茲 (MHz) 時仍能保持性能。如此之高的工作頻率使得使用外形更小的電容器成為現(xiàn)實，從而使設(shè)計人員能夠設(shè)計出更緊湊的轉(zhuǎn)換器，或為其他功能騰出電路板空間。

[EEH-ZA1V151P]就是一款典型的混合電容器。這款 150 微法 (μF) 35 V 器件的 ESR 低至 27 mΩ，工作溫度范圍為 -55°C 至約 +105°C，使用壽命長達 10,000 小時（+105°C 時）。[STMicroelectronics]的 [EVLMG1-250WLLC]DC/DC 轉(zhuǎn)換器評估板（圖 2）展示了這款器件在數(shù)據(jù)中心應用中的適用性。這種 GaN 電路板的功率密度達到每立方英寸 20 瓦 (W/in.3)，且效率高于 92%。

圖 2：EVLMG1-250WLLC GaN DC/DC 轉(zhuǎn)換器評估板展示了混合電容器的潛力。（圖片來源：STMicroelectronics）

用于高密度、高效率電力傳輸?shù)牡?ESR 電容器的優(yōu)勢

數(shù)據(jù)中心采用高功率密度 DC/DC 轉(zhuǎn)換器已成為趨勢，但隨之而來的是獨特的熱管理挑戰(zhàn)。功率密度增大、元件面積縮小會顯著升高工作溫度。

盡量減小電容器的 ESR 可以部分地解決這類熱挑戰(zhàn)。由于功率損耗遵循 I2R 關(guān)系，因此降低電阻會直接減少功率損耗，從而減少發(fā)熱。因此，低 ESR 對于在緊湊型設(shè)計中保持安全工作溫度至關(guān)重要。

然而，即使是最高效的電容器，也會因工作環(huán)境而經(jīng)受較高的工作溫度。因此，對于元器件密集的數(shù)據(jù)中心來說，選擇一款能承受高熱的電容器至關(guān)重要。圖 3 所示為選型圖表，其中考慮了工作溫度等因素。

圖 3：所示為基于紋波電流、電容、尺寸和工作溫度的混合電容器選型指南。（圖片來源：Panasonic）

雖然 GaN 技術(shù)帶來的高開關(guān)頻率有助于實現(xiàn)更小的封裝，但電容器技術(shù)必須保持足夠的電容來處理高紋波電流。[EEH-ZL 系列]混合電容器的電容選擇范圍為 47 μF 到 680 μF，并能在 100 kHz 頻率下處理高達 2.3 A 的電流，因此能夠應對這些挑戰(zhàn)。這些器件還能確保在 +135°C 溫度條件下工作，其 ESR 低至 14 mΩ。

例如，[EEH-ZL1E681P]680 μF 電容器的 ESR 為 14 mΩ，封裝直徑為 10.0 mm。

使用高精度電阻器精確地監(jiān)控電源

數(shù)據(jù)中心應用中的 DC/DC 轉(zhuǎn)換器需要高度精確的功率控制反饋。這一點在基于 GaN 的設(shè)計中尤為重要，因為在這類設(shè)計中，即使占空比反饋出現(xiàn)微小誤差，也會導致危險的過壓或過流情況。

雖然目前有各種電流檢測技術(shù)，但對于服務器、存儲基礎(chǔ)設(shè)施和電源等空間有限的環(huán)境來說，并聯(lián)電阻器尤其具有吸引力。然而，現(xiàn)代設(shè)計的高功率密度給電阻式電流檢測技術(shù)帶來了巨大挑戰(zhàn)。

主要挑戰(zhàn)是熱穩(wěn)定性。隨著工作溫度的變化，電阻值會出現(xiàn)顯著偏移，從而可能影響測量精度。因此，熱阻系數(shù) (TCR) 成為一項關(guān)鍵指標。必須盡可能地降低熱阻系數(shù)，以便在數(shù)據(jù)中心運行的寬溫度范圍內(nèi)保持測量精度。

Panasonic 的 [ERA-8P 系列]電阻器（圖 4）憑借多項創(chuàng)新功能克服了這些挑戰(zhàn)：

• 通過精密薄膜加工實現(xiàn)了每開爾文 (K) ±15 × 10^-6^ 的超低 TCR
• 電阻器下方有一層可降低應力的軟樹脂層，可最大限度地減少熱循環(huán)過程中焊料形成的裂紋
• 光滑的氧化鋁基板表面可確保電阻膜厚度均勻
• 細長而彎曲的電阻模式可分散集中的電流負載，實現(xiàn)了業(yè)界領(lǐng)先的抗靜電放電 (ESD) 性能

圖 4：ERA-8P 系列電阻器具有高熱穩(wěn)定性。(圖片來源： Panasonic ）

[ERA-8PEB1004V] 展示了這些功能，其規(guī)格適合監(jiān)控數(shù)據(jù)中心電源：

• 元器件的限制電壓高，達到 1 MΩ 時 500 V，可用于監(jiān)控高壓電源軌
• 額定功率 0.25 W，可確保將功率損耗降至最低
• 工作溫度范圍：-55°C 至 +155°C
• 出色的抗靜電放電 (ESD) 能力，可在高功率環(huán)境下可靠運行

利用 Wi-Fi 監(jiān)控能效

隨著人工智能工作負載推動更多服務器、存儲系統(tǒng)和電源裝置的部署，DCIM 面臨著日益增長的復雜性。雖然監(jiān)控這些系統(tǒng)的功耗對優(yōu)化效率至關(guān)重要，但傳統(tǒng)的有線監(jiān)控解決方案會加劇成本、復雜性和線纜管理方面的挑戰(zhàn)，而隨著設(shè)施規(guī)模的擴大，這些挑戰(zhàn)只會變得更加復雜。

無線監(jiān)控為應對這些挑戰(zhàn)提供了一種簡單的解決方案。這種方法通過電壓、電流和溫度測量實現(xiàn)了實時電源管理，而且無需額外布線。這種方法更靈活，無需重新配置物理連接即可擴大或縮小業(yè)務規(guī)模。

然而，用于數(shù)據(jù)中心應用的無線模塊必須滿足幾項嚴格的要求：

• 在障礙物和潛在干擾源眾多的環(huán)境中保持連接可靠
• 最大限度地降低功耗，保持總效率提高
• 外形小巧，可與現(xiàn)有設(shè)備集成
• 安全功能強大，能保護敏感的數(shù)據(jù)中心信息

Panasonic 的 [ENW-49A01A3EF] PAN9320 Wi-Fi 模塊（圖 5）功能集全面，能應對這些挑戰(zhàn)：

• 2.4 GHz 工作頻率可穿透數(shù)據(jù)中心的障礙物；同時支持 802.11b/g/n 標準，可確保廣泛的兼容性。
• 在 802.11b 模式下，最低發(fā)射 (Tx) 功耗為 430 mA，接收 (Rx) 功耗為 160 mA，從而保持了高能效。
• 29.0 mm × 13.5 mm × 2.66 mm 的緊湊型表面貼裝設(shè)計可簡化集成。
• TLS/SSL、HTTPS 和 WPA2 等內(nèi)置安全功能可保護敏感信息。

通過這些功能，數(shù)據(jù)中心運行商可全面地監(jiān)電力，并最大限度地減少通常與此類系統(tǒng)相關(guān)的物理和運營開銷。

圖 5：ENW-49A01A3EF 為有高效 DCIM 提供了全面的 2.4 GHz Wi-Fi 解決方案。（圖片來源：Panasonic）

結(jié)語

在人工智能工作負載方面的需求，需要重新考慮電力基礎(chǔ)設(shè)施——從單個組件的選擇到整個設(shè)施的監(jiān)控系統(tǒng)。Panasonic 的混合電容器、超低 ESR 技術(shù)、精密電阻器和無線連接性產(chǎn)品組合為數(shù)據(jù)中心運營商提供了構(gòu)建并維護高效、可擴展電源系統(tǒng)所需的工具，以支持下一代人工智能應用。

審核編輯 黃宇