功率密度越來越高 48V電源漸成顯學

2021/10/07 - DIGITIMES企劃

因應當前最火紅的AI加速運算，以及5G高速訊號傳輸，電源設計架構能否透過配置的改變，使得處理器效能及總體系統效率有所突破？美商懷格(Vicor)提供的高效率、高效能電源模組，可以有效突破電源設計瓶頸。

段標：處理器電流需求增加，造成設計瓶頸 

隨著AI加速卡及Ethernet Switch ASIC處理器的電流需求增加，工程師所面臨的挑戰也越來越大。約從2000年開始，無論是AI處理器或是ASIC處理器，其電流從約200~300安培，到2020年已增加至800~1,000安培。

大電流所造成的問題包括：印刷電路板(PCB)的傳輸損失(PDN)如何解決？其次，如何冷卻大電流電路？另一個挑戰則是，由於系統設計越趨複雜，需要的元件增多，功率密度要求也是越來越高，這也會造成設計瓶頸。想要解決這些問題，需要高效能、高效率的電源模組方案。

此外，目前常見的仍是12V系統，然而，為了實現更多功能，符合高傳輸速度、高功率密度(power density)需求，並免於受到傳統12V在尺寸、重量與損耗的限制，以及減少前端PCB的銅損及傳輸損失，基於這些考量，近來已有越來越多產業轉向採用48V電源設計。這些產業領域包括通訊與資料中心、汽車、LED照明、工業設備以及電動工具等，皆逐漸朝此趨勢移轉。

段標：PRM+VTM架構，提供高效能電源模組

Vicor深耕電源模組領域逾40年，為電源產業領導者之一，能提供高功率密度、高性能及效能的解決方案。基本上，Vicor電源模組架構由預穩壓器模組(PRM)及電壓轉換器模組(VTM)組成。PRM用來調節輸入電壓，VTM則是將調節過的電壓等比例轉換為所需直流電壓。透過此架構，可實現高轉換效率、低雜訊與快速響應、高功率密度及低配電損耗等特性，符合48V電源的需求。

這種架構的雜訊很低，所以可將此模組放置靠近CPU或GPU，如此可降低PCB上的傳輸損失。相較之下，過去若要將48伏轉換至1伏，主要採用多相式(multiphase)方法，需使用許多元件，距離CPU及GPU較遠，所以PDN損失較多，且雜訊也較大，這會影響系統高速線路的布局及走線，導致設計難度變高，而Vicor架構可將48V直接降壓至1V甚至更低電壓，且提供高電流，大幅簡化設計。

為了協助設計人員快速實現電源設計，Vicor並提供完整的線上設計工具，包含電源系統設計工具、模擬、配置工具及白皮書、影片資源等豐富內容，能夠有效降低設計風險，方便設計人員快速搜尋所需的電源模組，並有效地進行電源系統設計，藉由採用高效電源方案，進一步提升產品的差異化優勢。

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圖說：美商懷格應用工程師張育展在「AI加速卡/Switch ASIC電源設計挑戰及解決方案」中指出，為符合高傳輸速度及高功率密度需求，許多應用開始採用48V電源設計。(DIGITIMES)