AI無疑是最近最火的技術(shù)。隨著AI迅猛發(fā)展，算力需求呈指數(shù)級增長，數(shù)據(jù)中心正在面臨一個問題——功率越來越大，耗電越來越多。

所以，這種情況下，沒有好的AI電源，AI也就不可能發(fā)揮最大的功效。此時，屬于模擬芯片廠商的機會，就來了。

最近，各大芯片廠商都在加大對于AI電源的投入，并推出了很多顛覆性的產(chǎn)品。

5月20日，英飛凌（Infineon）宣布與英偉達（NVIDIA） 合作，正在開發(fā)基于新架構(gòu)的下一代電源系統(tǒng)，該架構(gòu)具有800 V高壓直流電（HVDC）集中發(fā)電能力。

新的系統(tǒng)架構(gòu)顯著提高了整個數(shù)據(jù)中心的節(jié)能配電，并允許直接在服務器主板內(nèi)的AI芯片（圖形處理單元，GPU）上進行電源轉(zhuǎn)換。英飛凌在基于所有相關(guān)半導體材料硅 （Si）、碳化硅（SiC）和氮化鎵（GaN）的從電網(wǎng)到核心的功率轉(zhuǎn)換解決方案方面擁有豐富的專業(yè)知識，正在加速實現(xiàn)全尺寸 HVDC 架構(gòu)的路線圖。

根據(jù)英飛凌的說法，這一革命性一步為在加速計算數(shù)據(jù)中心實施先進的供電架構(gòu)鋪平了道路，并將進一步提高可靠性和效率。隨著AI數(shù)據(jù)中心的獨立GPU數(shù)量已經(jīng)超過100000個，對更高效供電的需求變得越來越重要。在這個十年結(jié)束之前，AI數(shù)據(jù)中心將要求每個IT機架的功率輸出達到1兆瓦（MW）或更高。因此，HVDC架構(gòu)與高密度多相解決方案相結(jié)合，將為行業(yè)樹立新標準，推動高質(zhì)量組件和配電系統(tǒng)的發(fā)展。

800V架構(gòu)能夠帶來什么，根據(jù)英飛凌的解析，該架構(gòu)不僅可以幫助英偉達實現(xiàn)更快、更高效和可擴展的AI基礎(chǔ)設施，同時能夠優(yōu)化我們先進AI基礎(chǔ)設施的能耗。目前，AI數(shù)據(jù)中心的電力供應是分散的。這意味著AI芯片由大量電源單元（PSU）供電。未來的系統(tǒng)架構(gòu)將是集中式的，從而盡可能地利用服務器機架中的約束空間。這將增加使用最少功率轉(zhuǎn)換級的尖端功率半導體解決方案的重要性，并允許升級到更高的配電電壓。

值得注意的是，英飛凌此前也在分散方案上釋放了兩個路線圖：一個是PSU路線圖，規(guī)劃到了12kW，；一個是BBU路線圖，也規(guī)劃到了12kW。

ST則聚焦數(shù)據(jù)中心的能源挑戰(zhàn)問題，具體的方案包括：

第一，新一代數(shù)據(jù)中心整體解決方案。隨著電力需求和算力不斷提升，數(shù)據(jù)中心電源需要在有限空間內(nèi)，實現(xiàn)更高的功率等級，并達到更高的功率密度。ST展示的一整套方案從PFC+LLC的PSU（服務器電源）轉(zhuǎn)到DC/DC架構(gòu)，再由48V母線將電壓轉(zhuǎn)換為12V，并由12V多相數(shù)字電壓調(diào)節(jié)器輸出更低電壓（如3.3V、1.8V）為CPU和GPU供電。該方案完美契合AI服務器對電源功率和功率密度不斷提升的需求，構(gòu)成完整的數(shù)據(jù)中心電力傳輸生態(tài)系統(tǒng)。

第二，最新研發(fā)的5.5kW PSU前端PFC解決方案。這套方案具有多項技術(shù)突破：采用ST第三代碳化硅（SiC）功率器件，其性能遠超傳統(tǒng)硅基器件；使用STGAP柵極驅(qū)動芯片進行驅(qū)動；采用TCM+CCM混合控制算法，相比單一算法能更好優(yōu)化效率；結(jié)合交錯并聯(lián)的拓撲和技術(shù)，使整體方案無論是在輕載還是重載的全負載范圍內(nèi)，都能更好的靈活響應，并帶來更好的熱性能，從而實現(xiàn)更高的效率、性能和穩(wěn)定性。

基于ST SiC的優(yōu)越性能，該解決方案擁有更低的導通損耗和優(yōu)越的開關(guān)性能，可以工作在更高的開關(guān)頻率，從而進一步降低服務器的電源能耗，提升效率，并降低磁性元器件的體積，實現(xiàn)更為出色的功率密度。最終，整個5.5kW方案功率密度高達50瓦每立方英寸（W/in^3），峰值效率將高達97.5%。該方案后級的DC/DC，目前ST正在抓緊調(diào)試中。

第三，面對數(shù)據(jù)中心信息通信系統(tǒng)的安全方面。ST展示的方案擁有三大優(yōu)勢，一是保證數(shù)據(jù)的安全存儲，二是提供安全密鑰的生成，三是提供多種算法支持，更好的保障信息安全。

第四，由意法半導體電機控制技術(shù)創(chuàng)新中心研發(fā)的大功率熱管理冷卻系統(tǒng)。該產(chǎn)品針對高功率帶來的散熱挑戰(zhàn)，覆蓋10kW、7kW、4kW等不同功率等級需求，基于高性能的STM32G4系列MCU，實現(xiàn)對單電機、多電機的控制，可以更好地滿足實現(xiàn)高效的冷卻電源管理系統(tǒng)。

與英飛凌相同，意法半導體也同時掌握著碳化硅（SiC）、氮化鎵（GaN）與硅 （Si）在內(nèi)的所有相關(guān)技術(shù)，在AI技術(shù)快速發(fā)展和GPU算力持續(xù)突破的背景下，數(shù)據(jù)中心綠色轉(zhuǎn)型面臨新的機遇與挑戰(zhàn)。ST將從三個維度推動行業(yè)可持續(xù)發(fā)展：首先，依托高效電源轉(zhuǎn)換器IC、低功耗處理器、高性能功率器件等創(chuàng)新半導體技術(shù)，打造高能效的電源管理解決方案，降低數(shù)據(jù)中心能耗水平；其次，開發(fā)智能監(jiān)控系統(tǒng)，通過實時數(shù)據(jù)分析和精準控制優(yōu)化能源使用效率，降低運營成本；最后，重點開發(fā)高效的溫度傳感器和智能熱管理系統(tǒng)，有效優(yōu)化冷卻系統(tǒng)的運行效率，降低能耗并延長設備壽命。

安森美（Onsemi）在AI服務器供電系統(tǒng)領(lǐng)域推出基于400V 直流（DC）母線架構(gòu)的全鏈路電源部署方案，通過分層級供電路徑設計，實現(xiàn)從輸入側(cè)到主板供電的高效能電力傳輸。在其投資者簡報中，安森美展示了典型的服務器供電拓撲結(jié)構(gòu)：系統(tǒng)以不間斷電源（UPS）、電池模塊和峰值負載調(diào)峰架（PLSS，Peak Load Shaving Shelf）為輸入起點，經(jīng)主電源通路與控制器，最終連接至板載電源模塊，形成完整的供電鏈路。

針對AI高能耗問題，ONsemi最新一代T10 PowerTrench?系列和EliteSiC 650V MOSFET的強大組合為數(shù)據(jù)中心應用提供了一種完整解決方案，該方案在更小的封裝尺寸下提供了無與倫比的能效和卓越的熱性能。

其中，EliteSiC 650V SiC M3S MOSFET是為應對數(shù)據(jù)中心的能效挑戰(zhàn)提供的革命性方案，不僅滿足了開放式機架V3（ORV3）電源供應單元（PSU）高達97.5%的峰值效率要求，還擁有領(lǐng)先的品質(zhì)因數(shù)（FOM）指標。與上一代產(chǎn)品相比，650V SiC M3S MOSFET的柵極電荷減半，并且將儲存在輸出電容(Eoss)和輸出電荷(Qoss)中的能量均減少了44%。與超級結(jié)(SJ) MOSFET相比，它們在關(guān)斷時沒有拖尾電流，在高溫下性能優(yōu)越，能顯著降低開關(guān)損耗。

為進一步提升電源系統(tǒng)的整體效能，T10 PowerTrench 系列專為處理對DC-DC功率轉(zhuǎn)換級至關(guān)重要的大電流而設計，在緊湊的封裝尺寸中提供了更高的功率密度和卓越的熱性能，這是通過屏蔽柵極溝槽設計實現(xiàn)的，該設計具有超低柵極電荷和小于1毫歐的導通電阻RDS(on)。PowerTrench T10系列MOSFET覆蓋80V、40V、25V等電壓級別，不僅能夠支持中介總線轉(zhuǎn)換器（IBC）達到98%的峰值效率和5kW/in3的驚人功率密度，還以低于22%的軟開關(guān)損耗和30%的硬開關(guān)損耗，遙遙領(lǐng)先于市場上的其他同類產(chǎn)品，為實現(xiàn)數(shù)據(jù)中心電源供應單元和中介總線轉(zhuǎn)換器的最高能效奠定了堅實基礎(chǔ)。

此外，為了增強針對人工智能數(shù)據(jù)中心的電源產(chǎn)品組合，ONsemi去年12月已與Qorvo達成協(xié)議，以1.15億美元現(xiàn)金收購其碳化硅結(jié)型場效應晶體管(SiC JFET) 技術(shù)業(yè)務及其子公司UnitedSilicon Carbide。

SiC JFET的單位面積導通電阻超低，低于任何其他技術(shù)的一半。它們還支持使用硅基晶體管幾十年來常用的現(xiàn)成驅(qū)動器。綜合這些優(yōu)勢，SiCJFET的采用能夠加快開發(fā)速度，減少能耗并降低系統(tǒng)成本，為電源設計人員和數(shù)據(jù)中心運營商提供顯著的價值。

在追求更快計算速度的同時，GPU的能耗也在不斷上升，給數(shù)據(jù)中心和服務器帶來了巨大的能源壓力。從趨勢來看，至2027年AI/ML機架電源將向600kW發(fā)展。由于分配大電流時功率損耗隨電流的平方 (I2R) 增大，必須在背板或走線中使用更多的銅來控制配電損耗，這樣最終會限制系統(tǒng)的功率傳輸。

為了滿足行業(yè)新的電源需求，MPS開發(fā)了一種新型電源架構(gòu)，它采用獨特的48V輸入兩級降壓方案。第一級采用4:1降壓模塊將48V轉(zhuǎn)換為12V，第二級則沿用服務器電源技術(shù)，但針對空間限制優(yōu)化布板面積，推出高集成度的Power Module方案，集成了電感和驅(qū)動功能，顯著縮小體積。

此外，MPS的垂直供電方案通過將模塊直接貼合GPU背面，縮短供電路徑，降低損耗，同時解決高度和散熱挑戰(zhàn)。該方案采用超薄設計（4mm高度），已與多家大廠合作開發(fā)定制化供電方案，如直接通過GPU引腳供電，進一步優(yōu)化性能。

目前，MPS針對AI服務器領(lǐng)域，既擁有水平供電 (LPD）方案，也擁有垂直供電 （VPD）方案。MPS的方案主要擁有四大優(yōu)勢：第一，體量更緊湊、功率密度更高、配電損耗更低；第二，電源轉(zhuǎn)換效率更高、頂部散熱設計兼容液冷；第三，擁有嚴密的仿真計算、嚴格的出廠測試；第四，MPS能夠提供很多好用的前期評估工具，如PDN仿真工具、仿真模型、靈活的GUI等。

今年3月，Vicor推出全新推出的DCM?系列，支持以48V為中心的供電網(wǎng)絡，提供更高的系統(tǒng)效率和性能。DCM（DCM3717和DCM3735）的功率等級從750W到2kW，功率密度達到5kW/in3，擁有業(yè)界領(lǐng)先地位。需要可擴展解決方案的電源系統(tǒng)設計人員可以并聯(lián)器件以獲得更高的功率能力。

工作輸入電壓范圍為40-60V，可產(chǎn)生10V至12.5V的可調(diào)穩(wěn)壓輸出。DCM3717系列提供750W和1kW兩種功率選項，DCM3735則為2kW設備準備。這兩款全新的DCM產(chǎn)品可進行并聯(lián)，能夠快速擴展系統(tǒng)的功率水平。在高效率方面，這些DCM產(chǎn)品的峰值效率超過96%，其中DCM3717的峰值效率為96.5%，DCM3735的峰值效率為96.4%。此外，新品采用的5.2mm 薄型SM ChiP?表面貼裝封裝，具備出色的熱適應性，簡化了熱管理系統(tǒng)的設計。

從功率密度上來看，全新的48V DC/DC模塊擁有行業(yè)領(lǐng)先的功率密度，與競品相比，Vicor 功率密度約為競品的10倍以上，實現(xiàn)了指數(shù)級的提升。

隨著高性能計算和人工智能不斷發(fā)展，數(shù)據(jù)中心需要高功率密度的高效解決方案來支持最新的中央處理單元、圖形處理單元(GPU) 和硬件加速器。然而，由于需要提高功率密度并轉(zhuǎn)向 48V 電源架構(gòu)來滿足處理需求，這帶來了新的挑戰(zhàn)，尤其是在以下情況下：保持可靠性、效率和可擴展性的同時，管理大于6kW的功率級別。

不斷提高的電源要求通常會導致解決方案尺寸更大、設計復雜，且故障檢測和保護效率低下。此外，在管理高電流的同時，確保安全運行和更大限度地降低功率損耗也是一個重要問題。與分立式場效應晶體管(FET) 結(jié)合使用的傳統(tǒng)熱插拔控制器在高功率應用中面臨巨大的局限性。

為應對這些挑戰(zhàn)，德州儀器推出集成電源路徑保護的48V熱插拔電子保險絲（eFuse）器件，專為數(shù)據(jù)中心應用設計，具有高可靠性和緊湊性。與需要外部檢測電阻和電流檢測放大器的方案不同，TPS1689和TPS1685通過集成這些功能簡化了設計，在支持高功率無縫擴展的同時，將解決方案尺寸縮減高達50%。 

TPS1689的差異化特性之一是消隱定時器，它通過使系統(tǒng)區(qū)分峰值負載電流和實際故障條件來防止誤觸發(fā)。該功能增強了系統(tǒng)可靠性，避免不必要的停機。器件還支持堆疊功能以提升電流處理能力，允許多個器件在高功率應用中協(xié)同工作。

集成的故障記錄黑匣子、FET安全工作區(qū)保障、主動均流和健康監(jiān)測等特性進一步增強了系統(tǒng)彈性。TPS1689采用行業(yè)標準通用封裝，提供確?？煽窟\行的電源管理解決方案。

去年10月，F(xiàn)lex推出了新的中間總線轉(zhuǎn)換器 （IBC）——BMR320和BMR321，專為數(shù)據(jù)中心提供支持，為 AI、機器學習和云應用程序提供動力。

現(xiàn)代IBC的效率極高，通常超過95%，可最大限度地減少能量損失和散熱問題。它們外形小巧，可安裝在密集的電子系統(tǒng)中，通常在輸入和輸出之間提供電氣隔離，從而提高安全性并減少噪聲傳播。

BMR32具有固定的8:1轉(zhuǎn)換比，可實現(xiàn)從40－60V到5－7.5V的高效一步式電源轉(zhuǎn)換。它提供750W的連續(xù)功率輸出，并可處理高達1500W的峰值功率。此外，該DC/DC電源轉(zhuǎn)換器的峰值效率高達98%以上，同時還保持了符合開放計算項目(OCP)標準OAM v2.0的緊湊尺寸。

眾所周知，母線電壓越高，轉(zhuǎn)換效率就越高。根據(jù)焦耳定律Q=I^2 R t，電流越小，熱損耗就越小。在相同功率下，800V 架構(gòu)的電流相比400V 架構(gòu)減半，熱損耗能降低至原來的四分之一，不僅更省電，還能使溫度更好控制，提升了能量利用效率。

2025年GTC大會上，英偉達就聯(lián)合臺達、麥格米特等電源合作伙伴展示了下一代數(shù)據(jù)中心800V配電網(wǎng)絡架構(gòu)。更高的電壓及功率也會帶來了一系列的技術(shù)挑戰(zhàn)。

800V高壓應用使得熔斷器等電路保護器件用量增加。從臺達的展示來看，其在Power rack、HVDC power shelf、High voltage DCDC等多處都有應用。電源單獨成柜導致需要高壓方案降低電流以減少線損，而高壓方案則進一步帶動熔斷器等器件用量增加以實現(xiàn)滅弧等電路保護措施。

SST（固態(tài)變壓器）是下一代數(shù)據(jù)中心的供電技術(shù)路線，固態(tài)變壓器也稱為“智能變壓器”，是一種現(xiàn)代的電能設備，可提供雙向功率流。它是大功率半導體組件，是控制電路和常規(guī)高頻變壓器的結(jié)合體，提供無功功率補償，諧波抑制等多種功能。固態(tài)變壓器可滿足廣泛的應用需求，從替代發(fā)電到牽引機車，電網(wǎng)和電力工業(yè)等等。固態(tài)變壓器的應用范圍很廣，除了電壓轉(zhuǎn)換外，還有助于從交流AC平滑過渡到直流DC，從直流DC平滑過渡到交流AC。

超級電容顯著降低供電的波動性。AI數(shù)據(jù)中心不斷進行訓練任務并進行高速運算，當開始訓練任務時負載會迅速上升至較高功率，而當訓練任務結(jié)束后又會下降至較低水平。超級電容利用快速充放電的特性實現(xiàn)降低供電波動性，根據(jù)臺達電數(shù)據(jù)其超級電容能夠?qū)⒐╇姴▌有詮?3%降至6%。

電源架構(gòu)從Power shelf向Power rack升級

如圖所示，隨著處理器的功耗越來越高，機架中已經(jīng)沒有額外的空間給power shelf，BBU、超級電容或者PCS之類的升級空間，也正因此，新一代架構(gòu)中直接將這些電源相關(guān)的組件統(tǒng)一分配到一個供電單元中，解決了數(shù)據(jù)中心輸配電挑戰(zhàn)。

根據(jù)臺達的方案，Powershelf同樣分為Power rack側(cè)和IT rack側(cè)的兩類產(chǎn)品。

1）Power rack側(cè)的power shelf：其將PDU側(cè)480Vac轉(zhuǎn)化為800Vdc輸出，其內(nèi)部仍然是采用了經(jīng)典的Vienna PFC+LLC拓撲結(jié)構(gòu)，但由于電壓較高內(nèi)部損耗更低，整體效率可以達到98%+的水平。從具體的結(jié)構(gòu)來看，臺達的方案為一套Power rack側(cè)的power shelf由兩組27.5kw的PSU組成，綜合功率共計55kw。

2）IT rack側(cè)的power shelf：其將前端的800V直流電轉(zhuǎn)化為50V的直流電供給至后端的DCDC模組。從具體結(jié)構(gòu)來看，單層由6組15kw的PSU組成，合計約90kw，整體效率高達98.5%以上。

圖表：Power rack 側(cè)的Powershelf拓撲結(jié)構(gòu)

圖表：數(shù)據(jù)中心供電架構(gòu)的逐步演進

資料來源：Nvidia GTC，臺達，中金公司研究部