高電流密度、超薄電源模塊超越新一代系統(tǒng)需求

圖 1：傳統(tǒng)中間母線架構(gòu)采用固定比率隔離母線轉(zhuǎn)換器（IBC）將 48V 降壓至 12V 中間母線電壓，再為 niPOL（非隔離式負(fù)載點(diǎn)）轉(zhuǎn)換器供電。

AI 處理器以低于 1V 的電壓運(yùn)行時(shí)，電流消耗卻高達(dá)數(shù)千安培。這種前所未有的電流需求已使供電網(wǎng)絡(luò)（PDN）成為系統(tǒng)的主要瓶頸。

流經(jīng) PCB 或基板銅電源層的每安培電流都會(huì)增加傳導(dǎo)損耗和熱管理難度，并且必須增大旁路電容以控制電壓瞬變。傳統(tǒng)的基于電壓平均法的架構(gòu)，例如中間母線架構(gòu)（IBA）和多相降壓穩(wěn)壓器，在負(fù)載較輕時(shí)尚可滿足需求，但已無法滿足當(dāng)今電壓低于 1V、電流達(dá)到千安級(jí)的要求。對(duì)于這些低壓大電流應(yīng)用，電流倍增方案比電壓平均拓?fù)涓咝阅軆?yōu)勢(shì)。

Vicor 分比式電源架構(gòu)（FPA）重新定義電壓調(diào)節(jié)與轉(zhuǎn)換的發(fā)生位置，從而優(yōu)化大功率 PDN，將電流倍增理念付諸實(shí)踐。針對(duì)最嚴(yán)苛的應(yīng)用場(chǎng)景，F(xiàn)PA 在負(fù)載點(diǎn)運(yùn)用電流倍增理念，實(shí)現(xiàn)了傳統(tǒng)多相方案無法比擬的高效率、電流密度、低噪聲及負(fù)載瞬態(tài)響應(yīng)性能。

供電架構(gòu)的演進(jìn)

隨著近年來系統(tǒng)需求的不斷提升，供電架構(gòu)經(jīng)歷了多次演進(jìn)。

最早采用的方案是集中式電源架構(gòu)（CPA），它由單一電源生成所有電壓，并將其分配至整個(gè)電路板。CPA 在低功耗系統(tǒng)中尚可運(yùn)行，但當(dāng)負(fù)載需要一系列更低電壓、更大電流的電源時(shí)，它顯得力不從心。具體而言，長(zhǎng)距離銅走線上的配電損耗會(huì)降低系統(tǒng)效率，導(dǎo)致過熱問題。

然后是分布式電源架構(gòu)（DPA）。在這種架構(gòu)中，設(shè)計(jì)人員將模塊化“磚型”轉(zhuǎn)換器放置在各負(fù)載附近，從而減少傳導(dǎo)損耗并提高靈活性。DPA 解決了部分 CPA 效率低下問題，卻占用了大量電路板空間，且難以滿足快速瞬態(tài)響應(yīng)需求。

中間母線架構(gòu)（IBA）試圖在效率與成本間取得平衡。在 IBA 中，一個(gè)隔離母線轉(zhuǎn)換器將 48V 降壓至 12V，此時(shí)中間母線轉(zhuǎn)換器（IBC）可以采用固定比率類型，降壓比為 1/4、1/6 或 1/8，具體取決于非隔離式負(fù)載點(diǎn)（niPOL）轉(zhuǎn)換器所要求的中間母線陣列（參見圖 1）。這種架構(gòu)減少了功能冗余，初期改善了系統(tǒng)經(jīng)濟(jì)性。然而，當(dāng)非隔離式負(fù)載點(diǎn)所用的多相降壓轉(zhuǎn)換器將電壓從 12V 降至 1V 以下時(shí)，其占空比會(huì)受到限制，從而影響效率和瞬態(tài)性能。當(dāng)負(fù)載電流升至數(shù)百安培時(shí)，系統(tǒng)需要大容量旁路電容來穩(wěn)定電壓軌，這導(dǎo)致尺寸和成本雙雙增加。

IBA 的擴(kuò)展極限表明，單純優(yōu)化傳統(tǒng)架構(gòu)已然不足。要滿足千安級(jí)電流要求，需要一種全新策略：在更高電壓下進(jìn)行穩(wěn)壓，隨后在負(fù)載點(diǎn)直接實(shí)現(xiàn)電壓變換與電流倍增。

值得注意的是，所有這些架構(gòu)均基于電壓平均理念，即先將中間母線降壓至一個(gè)固定電壓，再由后續(xù)轉(zhuǎn)換器通過時(shí)間平均的方式，將該電壓降至 1V 以下。

電流倍增與分比式電源的強(qiáng)大優(yōu)勢(shì)

在低電壓、大電流應(yīng)用中，電流倍增法相比電壓平均法具有顯著優(yōu)勢(shì)。電流倍增能將大電流直接輸送至負(fù)載點(diǎn)，同時(shí)保持供電網(wǎng)絡(luò)處于更高電壓、更低電流的狀態(tài)，從而最大限度地降低 I2R 損耗，并提升整體 PDN 效率。

分比式電源架構(gòu)引入了一種全新方法，為高功耗電子系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)電流倍增。FPA 并不將所有轉(zhuǎn)換與穩(wěn)壓功能集中在負(fù)載點(diǎn)，而是將這些階段分離或分解為兩個(gè)獨(dú)立的電源模塊功能，從而優(yōu)化電流密度、效率及低噪聲性能（參見圖 2）。

第一階段是前置穩(wěn)壓器模塊（PRM），這是一款零電壓開關(guān)式升降壓穩(wěn)壓器。PRM 產(chǎn)生精準(zhǔn)穩(wěn)壓的“分比式母線”電壓，該電壓基于所選下游電壓轉(zhuǎn)換模塊（VTM）的轉(zhuǎn)換比進(jìn)行設(shè)定。例如，當(dāng)目標(biāo)負(fù)載電壓為 0.9V，且所選 VTM 的 K 因子為 1/48 時(shí)，PRM 的輸出電壓將調(diào)節(jié)（設(shè)定）至約 43.2V。PRM 通過這種方式保證向負(fù)載輸送所需的精準(zhǔn)電壓，同時(shí)以接近 99% 的峰值效率運(yùn)行。

圖 2：在分比式電源架構(gòu)中，PRM 負(fù)責(zé)調(diào)節(jié)分比式母線電壓，而 VTM 在負(fù)載點(diǎn)完成固定比率轉(zhuǎn)換與電流倍增。

VTM 是一款固定比率正弦振幅轉(zhuǎn)換器（SAC），在負(fù)載點(diǎn)執(zhí)行電壓轉(zhuǎn)換與電流倍增。VTM 在功能上類似于 DC-DC 變壓器，在降低穩(wěn)壓母線電壓的同時(shí)按比例增大輸出電流。以 1/48 轉(zhuǎn)換比率為例，48V 電壓下輸入 VTM 的 1 安培電流，可在 1V 電壓下產(chǎn)生 48A 輸出電流。VTM 的效率高達(dá) 97%，瞬態(tài)響應(yīng)為亞微秒級(jí)，輸出阻抗極低，減少了對(duì)大容量旁路電容陣列的需求。

綜上所述，這些優(yōu)勢(shì)使得 FPA 具有更高功率密度，更快速、更高效，遠(yuǎn)超傳統(tǒng)供電方案。

電流倍增專為高性能計(jì)算而設(shè)計(jì)

高性能計(jì)算平臺(tái)是對(duì)供電系統(tǒng)要求最為嚴(yán)苛的應(yīng)用場(chǎng)景之一。現(xiàn)代計(jì)算平臺(tái)通常在極低電壓下消耗 500A 至 2000A 電流。如果嘗試采用傳統(tǒng)方案通過主板傳輸如此大的電流，往往會(huì)導(dǎo)致難以接受的傳導(dǎo)損耗、過大的電壓跌落以及 PCB 銅層上的局部熱斑。

分比式電源架構(gòu)通過將穩(wěn)壓環(huán)節(jié)移至上游，并將電流倍增置于處理器封裝本身來解決此問題（參見圖 3）。PRM 將分比式母線電壓穩(wěn)壓至合適值（通常接近 48V），并以相對(duì)較低的電流在 PDN 中配電。處理器旁的 VTM 將分比式母線轉(zhuǎn)換為低于 1V 的工作電壓軌，同時(shí)將電流倍增至所需的數(shù)百或數(shù)千安培。這種緊湊布局可減少配電損耗、最大限度降低電感效應(yīng)，并確保處理器獲得純凈、穩(wěn)定的電源。

圖 3：在高性能計(jì)算場(chǎng)景中，VTM 直接放置在處理器正下方，以垂直輸送大電流。FPA 在負(fù)載點(diǎn)進(jìn)行電流倍增，既能最大限度地減少配電損耗，又能提供穩(wěn)定的低于 1V 的供電軌。

瞬態(tài)響應(yīng)同樣至關(guān)重要。AI 與 HPC 工作負(fù)載會(huì)因 xPU 內(nèi)核的啟停導(dǎo)致電流快速波動(dòng)。VTM 的響應(yīng)時(shí)間小于 1 微秒（典型值 400 納秒），無需超大電容陣列即可實(shí)現(xiàn)瞬時(shí)供電，從而提升計(jì)算穩(wěn)定性與電源利用效率。

FPA 非常適合垂直供電（VPD）配置，因?yàn)殡娏鞅对銎?VTM 的厚度極薄，其封裝熱阻極低。同時(shí)，它們具備高電流密度，因此相較于其他方案，其需要更少的 VTM 元件即可為高性能處理器供電。這使電流倍增器 VTM 能夠與尺寸縮減的去耦電容陣列共享處理器下方的有限空間。

對(duì)眾多系統(tǒng)架構(gòu)師而言，F(xiàn)PA 是高性能計(jì)算應(yīng)用的理想供電解決方案，因?yàn)樗苯咏鉀Q了定義市場(chǎng)需求的規(guī)模、速度和密度方面的挑戰(zhàn)。

新太空領(lǐng)域擁抱電流倍增的優(yōu)勢(shì)

低軌/中軌（LEO/MEO）衛(wèi)星的供電網(wǎng)絡(luò)，需要在效率與低噪聲之間取得平衡，同時(shí)具備耐輻射與耐熱循環(huán)能力。有效載荷電子設(shè)備（如網(wǎng)絡(luò) ASIC 和 FPGA）需要多路低于 1V 的大電流低壓電源軌，且必須在有限的質(zhì)量和體積預(yù)算內(nèi)實(shí)現(xiàn)，幾乎沒有余量來容納過大的電源硬件。傳統(tǒng)架構(gòu)采用大面積銅箔層和笨重的電容，根本無法擴(kuò)展來滿足這些要求。

FPA 提供了一種不同的方案。太陽(yáng)能電池陣列或電池提供的 100V 母線電壓，經(jīng)固定比率母線轉(zhuǎn)換器（即一款 BCM）轉(zhuǎn)換為 33V（參見圖 4）。升降壓 PRM 將此中間電壓穩(wěn)壓為精確的分比式母線電壓，而數(shù)字電子設(shè)備旁的 VTM 則將該母線電壓降壓，并將電流倍增至所需電源軌。通過在負(fù)載點(diǎn)進(jìn)行電流轉(zhuǎn)換，F(xiàn)PA 最大限度地減少了配電損耗并提升了功率密度。

圖 4：分比式電源架構(gòu)（FPA）將傳統(tǒng)單一功能 DC-DC 轉(zhuǎn)換器的電源功能分解為兩個(gè)獨(dú)立功能模塊：前置穩(wěn)壓模塊（PRM）與電壓轉(zhuǎn)換模塊（VTM）。每個(gè)模塊的電源開關(guān)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)與控制系統(tǒng)均經(jīng)過優(yōu)化，采用零電流開關(guān)與零電壓開關(guān)，實(shí)現(xiàn)低噪聲與低功耗特性。

基于 FPA 構(gòu)建的衛(wèi)星供電網(wǎng)絡(luò)還應(yīng)集成冗余與耐輻射特性，以增強(qiáng)可靠性。例如，搭載雙動(dòng)力系統(tǒng)的電源模塊可在單路徑故障時(shí)持續(xù)運(yùn)行，而耐輻射、軟開關(guān)設(shè)計(jì)則可有效緩解在軌環(huán)境中常見的單粒子效應(yīng)。Vicor 公司是目前唯一能提供兼具這些特性與性能水平的耐輻射電流倍增模塊的公司。

ATE 采用電流倍增技術(shù)突破吞吐量極限

自動(dòng)測(cè)試設(shè)備（ATE）是 FPA 展現(xiàn)卓越性能的另一領(lǐng)域。在此類應(yīng)用中，用于驗(yàn)證芯片的測(cè)試頭需滿足三大嚴(yán)苛要求：輸出電流超過 100A、電流轉(zhuǎn)換速率約為 7.5A/μs、運(yùn)行噪聲指標(biāo)極低。傳統(tǒng)的多相降壓轉(zhuǎn)換器如果不依賴大容量的電容陣列，就無法維持如此快速的瞬態(tài)響應(yīng)，這不僅限制了并行測(cè)試的芯片數(shù)量，還推高了整體系統(tǒng)成本。此外，它們的噪聲也很大。

分比式電源架構(gòu)提供了一套更高效的解決方案（參見圖 5）。PRM 在上游以更高電壓完成精準(zhǔn)穩(wěn)壓，并將此輸出分配至測(cè)試系統(tǒng)內(nèi)的分比式母線。位于測(cè)試插座附近的 VTM 將母線電壓降壓，并在負(fù)載點(diǎn)直接倍增電流。由于 VTM 是無控制環(huán)路延遲的固定比率轉(zhuǎn)換器，其響應(yīng)突發(fā)電流需求的時(shí)間不到 1 微秒，并使測(cè)試儀無需依賴過大電容即可提供精準(zhǔn)電流。

圖 5：在自動(dòng)測(cè)試設(shè)備中，多個(gè) PRM 對(duì) 48V 輸入母線進(jìn)行穩(wěn)壓，而每個(gè)負(fù)載插座處的 VTM 則在本地實(shí)現(xiàn)穩(wěn)壓母線轉(zhuǎn)換與電流倍增。

FPA 還具備電容倍增效應(yīng)，即 VTM 輸入端的電容以 K 因子平方倍關(guān)系等效倍增至輸出端。由于所需物理電容大幅減少，設(shè)計(jì)師可實(shí)現(xiàn)測(cè)試頭的輕量化與緊湊化。通過精準(zhǔn)、穩(wěn)定且快速的大電流輸送，F(xiàn)PA 提升了芯片驗(yàn)證的吞吐量，使操作人員能夠在接近真實(shí)的動(dòng)態(tài)工況下測(cè)試處理器、FPGA 和 ASIC。

當(dāng)今最嚴(yán)苛的應(yīng)用需要電流倍增方案

對(duì)于低電壓、大電流應(yīng)用，采用電流倍增方案是設(shè)計(jì)高性能 PDN 的合理選擇。事實(shí)證明，Vicor 分比式電源架構(gòu)是當(dāng)今最嚴(yán)苛電源系統(tǒng)設(shè)計(jì)的最佳選擇。該架構(gòu)提供了卓越的功率密度、響應(yīng)速度與靈活的設(shè)計(jì)選項(xiàng)。隨著系統(tǒng)復(fù)雜度與電流需求的持續(xù)攀升，傳統(tǒng)電壓平均架構(gòu)的短板將日益凸顯。FPA 電流倍增方案提供了一條成熟的前進(jìn)路徑，可實(shí)現(xiàn)更高效、更高功率密度且可擴(kuò)展的供電。