功率密度越来越高 48V电源渐成显学

2021/10/07 - DIGITIMES企划

因应当前最火红的AI加速运算，以及5G高速信号传输，电源设计架构能否透过配置的改变，使得处理器效能及总体系统效率有所突破？美商怀格(Vicor)提供的高效率、高效能电源模块，可以有效突破电源设计瓶颈。

段标：处理器电流需求增加，造成设计瓶颈 

随着AI加速卡及Ethernet Switch ASIC处理器的电流需求增加，工程师所面临的挑战也越来越大。约从2000年开始，无论是AI处理器或是ASIC处理器，其电流从约200~300安培，到2020年已增加至800~1,000安培。

大电流所造成的问题包括：印刷电路板(PCB)的传输损失(PDN)如何解决？其次，如何冷却大电流电路？另一个挑战则是，由于系统设计越趋复杂，需要的元件增多，功率密度要求也是越来越高，这也会造成设计瓶颈。想要解决这些问题，需要高效能、高效率的电源模块方案。

此外，目前常见的仍是12V系统，然而，为了实现更多功能，符合高传输速度、高功率密度(power density)需求，并免于受到传统12V在尺寸、重量与损耗的限制，以及减少前端PCB的铜损及传输损失，基于这些考量，近来已有越来越多产业转向采用48V电源设计。这些产业领域包括通讯与数据中心、汽车、LED照明、工业设备以及电动工具等，皆逐渐朝此趋势移转。

段标：PRM+VTM架构，提供高效能电源模块

Vicor深耕电源模块领域逾40年，为电源产业领导者之一，能提供高功率密度、高性能及效能的解决方案。基本上，Vicor电源模块架构由预稳压器模块(PRM)及电压转换器模块(VTM)组成。PRM用来调节输入电压，VTM则是将调节过的电压等比例转换为所需直流电压。透过此架构，可实现高转换效率、低杂讯与快速响应、高功率密度及低配电损耗等特性，符合48V电源的需求。

这种架构的杂讯很低，所以可将此模块放置靠近CPU或GPU，如此可降低PCB上的传输损失。相较之下，过去若要将48伏转换至1伏，主要采用多相式(multiphase)方法，需使用许多元件，距离CPU及GPU较远，所以PDN损失较多，且杂讯也较大，这会影响系统高速线路的布局及走线，导致设计难度变高，而Vicor架构可将48V直接降压至1V甚至更低电压，且提供高电流，大幅简化设计。

为了协助设计人员快速实现电源设计，Vicor并提供完整的在线设计工具，包含电源系统设计工具、模拟、配置工具及白皮书、影片资源等丰富内容，能够有效降低设计风险，方便设计人员快速查找所需的电源模块，并有效地进行电源系统设计，藉由采用高效电源方案，进一步提升产品的差异化优势。

[video=www.youtube.com/watch?v=PP0EunZpwus]


图说：美商怀格应用工程师张育展在「AI加速卡/Switch ASIC电源设计挑战及解决方案」中指出，为符合高传输速度及高功率密度需求，许多应用开始采用48V电源设计。(DIGITIMES)