系统电源设计再升级 芯片效率提升与量测方案突破成首要关键
- 洪千惠／DIGITIMES企划
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电源管理在系统设计中一直扮演重要角色，加上近年随着AI服务器需求大涨，如何透过更有效率的电源设计来提升能源效率已然成为产业共识。不论是电源管理芯片业者乃至于量测业者等，皆从不同面向戮力提升电源设计效率，为此，DIGITIMES于7月初举办2024电源技术论坛，邀集海内外业者探讨电源设计的未来走向。
全汉企业研发副处长蔡建利表示，传统的HPC（高效能运算）服务器的电源设计概念，主要是聚焦于处理器本身的功耗多寡来决定服务器电源供应的功率等级，以Intel的第五代Xeon处理器的TDP最大功率约莫在350W左右，而以1U的服务器设计一般会配置两颗处理器，整体电源供应功率大致会落在1300W至1600W左右，若是在高密度运算场景，会采用2U 4Node的服务器，那最多就会配置到8颗处理器，那整体功率会一口气提升至3000W。
而近期议题性非常火红的AI服务器，也就是配备了NVIDIA的高端运算GPU的服务器系统，以HGX为例，若是配备了A100、H100与H200等高端GPU，其电源供应功率会一口气突破10,000W大关，来到12,000W。因此，综观来看，AI服务器大致上会有三个面向需要留意，一是高效率、第二是高密度，最后则是高功率。以现今市场的需求来看，其能源效率至少要有97%左右，才是基本AI服务器的基本门槛。
而目前服务器最常用的电源供应器类型，主要是以CRPS（Common Redundant Power Supply）为主，但如前所提，由于AI服务器所需要功率需求大幅提升，但CRPS尺寸无法更动的情况下，功率密度的提升自然是不可避免，但功率需求愈高，功率密度提升乃至于相关的系统设计难度更是大幅提升。蔡建利也进一步提及，因应这样的设计挑战，其电源供应器的设计面向上，可以再进一步区分为数码控制、磁性元件以及SiC（碳化矽）MOSFET元件，以CRPS来说，全汉的作法至少就需要八颗SiC MOSFET才可以满足其设计需求。
除了能源效率外，辉能行销处经理陶惟萱就车用次时代电池技术的发展进行分享。在过去，电动车电池的技术概念主要是采用液态电解液与有机隔膜的作法，来达到电池芯的稳定，但这种隔膜很容易损坏，加上电解液本身易燃，所以安全性上相对较低，造成过往多起电动车火灾事件，让不少消费者望之却步。而辉能的作法，则是采用固态电解质的「陶瓷隔层」取代传统锂电池旧有高分子隔离膜构造，进而创造一个高安全的环境。
其次，辉能的电池技术也获得德国莱因实验室的认证，不论是在穿刺、过充与高温等测试下，皆能做到不起火的测试认证。陶惟萱更解释，目前市场上的固态电解质技术可分为三种路线，分别为氧化物、硫化物与固体聚合物三种，其中以氧化物的稳定性最高、最容易商业化，辉能以此为基础，进一步突破界面电阻和克服极层弯曲容易破裂的问题，进而朝量产与高能量密度的方向发展。目前辉能已累积超过820个专利，员工人数超过1,300位，其中40%为从事研发工程的专业人员，而电池芯的出货数量自2013年起算，也已经累积超过百万颗。
控制、功率元件、整合芯片，各有重要角色
在电源芯片领域，亦有不少半导体业者就不同面向探讨电源设计上的方法。英飞凌消费、计算与通讯业务资深经理庄镇荣以广泛的应用层面出发，分享英飞凌在电力领域的产品布局，一般来说，英飞凌的产品线涵盖控制类芯片、驱动芯片与功率半导体开关元件，后者就包含了GaN（氮化镓）、SiC与IGBT等，除此之外，英飞凌也有相应的软件与演算法，可以协助客户打造完整的电力系统方案。
其中在控制端部分，英飞凌在2024年开始，以PSoC Control C3系列产品线来因应广泛的电源控制应用，在此之前，英飞凌多以XMC 7000与4000系列来因应工业场景所需的各类应用系统，其中也包括电源控制，而从2024年开始，英飞凌便已有PSoC Control C3一系列的产品布局，产品蓝图已规划至2026年，且大多数的产品线皆采用Cortex-M33 CPU核心为主，且有单核与双核架构的产品区隔，目前第一款以电源控制为主的MCU产品，已经进入提供样品阶段，2025年第1季就会进入量产时程。
意法半导体技术行销资深工程师萧力豪表示，意法本身就有驱动芯片与GaN整合的产品线，除了能源效率可以提升与加速产品进入市场外，更重要的是，这类高整合度的产品线可以减少EMI（电磁干扰）与切换损失（Switch Loss）。此外，萧力豪也特别谈到意法旗下另一个系列产品线VIPer，它在业界已有不短的时间，其主要特色，是将PWM Controller（脉宽调变控制器）与矽制程MOSFET或是GaN加以整合，进而加以因应广泛的终端电子应用。其中，VIPerGaN系列，主要是PWM Controller整合GaN开关元件，切换频率为240kHz，同时也有过电流与温度保护机制的设计，主要可锁定家电、空调与消费性电子等应用。
Power Integrations资深工程师林文明则是针对多组输出电路的设计挑战提出解方。Power Integrations推出InnoMux-2解决方案，其概念主要是以单极的Flyback（返驰式）电源设计架构下，来达到多组电源输出的目标，在这当中，Power Integrations也加入了ZVS技术，同时在输出端加上主动式开关的设计，让各组的电压输出都能达到正负3%的表现，借此可以省去DC/DC的稳压设计电路，也让整体电路设计再进一步简化。
亚德诺半导体（ADI）资深业务经理陈曜桎指出，亚德诺半导体在多元的电源拓墣设计架构乃至各类应用领域，本就有相当丰富的解决方案，其中旗下的Silent Switcher扮演了相当重要的角色，并且可涵盖多元的应用领域，该技术的起源主要是来自于早前亚德诺半导体收购的凌力尔特而来。此一技术的特色在于可以降低电路设计所带来的EMI问题，进一步提升信号品质，散热上也能有优异的表现，所以自然也能提升其能源效率，帮助降低整体系统的电路面积。该技术目前已经进展到第三代，第三代的Silent Switcher相较于前代的版本，在低频率（0.1Hz to 100kHz）的噪讯可以降的更低，瞬态响应（Transient Response）的时间更短，在电源设计的实务上所带来的好处，也就是系统的能源损耗越低。
电源量测方法，是德、蔡司提出更佳解方
除了芯片本身带动效率提升外，量测也是提升电源设计品质的重要关键。台湾是德科技技术工程师廖士杰也表示，就功率系统的设计、量测、参数抽取乃至于分析等各项环节，是德都有相当完整的解决方案。以量测仪器来说，像是B1505A与B1506A两款功率分析仪，就足以肩负功率元件制造乃至于最终产品的电路量测环结，B1505A主要负责晶圆端与功率元件端，B1506A则是专注于功率模块到最终应用的电路信号分析。除此之外，是德科技也提供对应的软件方案（Easy Test Navigator）可以针对所量测到信号进行数据整理乃至于相应的图像生成，这在当中，也包括了静态与动态量测的部分，以及由于模块内的电感，在动态量测上所带来的相关问题，此一软件皆能协助工程师找到。
卡尔蔡司工业量测解决方案技术经理朱绍宇指出，蔡司除了在光学领域居于业界领导地位外，在工业量测领域也有相应的解决方案。随着AI服务器需求水涨船高，客户对于服务器系统的电源失效的情况找出缺陷源头，并加以解决，蔡司的解决方案主要是采取工业电脑断层扫描的方式，协助客户在不破坏系统结构的情况下找出缺陷所在。采用这种做法的好处在于，以物理方式破坏系统所带来的成本太高，加上破坏的过程中，极有可能连带将缺陷破坏掉；但如果采用工业电脑断层扫描的作法，则可以协助客户用不同的角度针对系统层面进行扫描，尤其是服务器用的PCB层数较多，用不同的角度扫描，可以确保没有遗漏的情况发生，若系统层面没有问题，就可从元件层面下手，像电感元件本身的磁性分析，电脑断层扫描也能协助处理。
车用功率元件验证已有标准面世
相较于其他业者针对高功率电源量测分享解决方案，德凯宜特资深经理陈冠玮则是分享了车用宽能隙标准的发展动态，在过去，AEC（汽车电子协会）并未针对宽能隙标准提供相应标准，所以AEC在今年四月特别针对该领域进行标准制订的讨论，在会中，就AEC-Q101标准，确认了功率元件本身的应力测试条件。同样的，ISO 16750主要是锁定车体的电子装置本身会遭遇的环境条件，就电气环境、机械环境、气候环境与化学环境等标准上也做了相应的修正。基于AEC-Q101的测试标准，像是动态H3TRB（高湿高温反向偏压）就是针对由SiC 或GaN 制成的宽能隙元件所制订的可靠性测试，动态H3TRB会透过环境添加湿度，这给测试带来了新的挑战并产生其他故障机制，所以很接近实际应用时的状态。
第四类半导体与GaN发展潜力无穷
DIGITIMES研究中心分析师王尊民则是就第四类半导体进行探讨，针对其基本条件与物理特性等，分析其未来的发展走向。王尊民分析，单就崩溃电场表现来看，Ga2O3（氧化镓）就明显优于SiC与GaN，这也意味着其耐受电压的能力越高，此外不论是电阻值表现，或是长晶效率上，相较于第三类半导体，也都相当出色。尤其是长晶效率表现突出，也就意味着成本上有机会可以做大幅下降。此外，就Ga2O3的晶圆透明度上相当高，所以良率自然也会相当优异。目前在晶圆尺寸上，已有业者推出以二寸乃至于四寸的晶圆，六寸与八寸也都还在实验阶段，但产业界愈多业者投入，应有机会加速其发展，在更高功率应用上发挥其特色，发挥更佳的能源效率。
作为当天议程压轴上场的阳明交通大学电子研究所副教授吴添立也指出，AI服务器所需的电源其主要挑战为高瓦数及散热的议题，同时综合使用GaN与SiC的服务器电源将有助于达到高瓦数、高效率及节省空间的优势。目前的趋势是利用SiC/GaN的混合型 AI 服务器电源。他引述业界相关数据，英飞凌已有利用SiC/GaN混合设计的8,000W AI服务器电源，而Navitas也推出利用SiC/GaN混合设计的4,500W AI服务器电源，未来在2024年底将会有10,000W AI服务器电源问世。另外一方面，若同时使用SiC/GaN加上液冷散热，将会有助于大幅增加电源效率及降低power loss，会是最佳的AI服务器电源方案。
此外随着技术发展，GaN所需要的High side与Low side端的驱动IC与GaN开关元件可以加以整合，如此可以大幅减少其不必要的寄生效应。加上GaN的耐受电压不断提升，就吴添立观察，GaN将有机会与SiC在高电压工作范围一较长短，在电动车领域有更多的发挥。目前在阳明交大吴添立教授的实验室，已经能将GaN的耐受电压提升至2,000V的程度。而大尺寸的GaN（12寸/8寸）及SiC（8寸）的发展，对GaN/SiC产业来说亦是相当鼓舞的消息。
整体来说，在2024年的电源技术论坛中，产学研专家们探讨了提升系统电源效率的关键策略，包括高效能服务器电源设计、次时代车用电池技术，以及先进的电源芯片解决方案。AI服务器对高效率、高密度、高功率的需求推动了CRPS的应用和SiC元件的采用；固态电池技术提升了电动车的安全性；而第四类半导体和GaN技术展现了未来在高功率应用的潜力。在可预见的未来，各个层面与环节的技术创新，将大幅提升能源效率和电源管理性能。
