【技术干货】提升电源转换效率以满足人工智能应用需求

电力是现代社会和经济运行的核心，而且随着电动汽车和人工智能应用对电力需求的日益增加，其重要性也只会越来越大。发电是目前世界上最大的二氧化碳（CO₂）排放源，但它也可通过太阳能和风能等可再生能源的快速扩张，引领向净零排放过渡。确保消费者能够安全且负担得起地获得电力，同时减少全球二氧化碳排放，是能源转型的核心挑战之一。

根据国际能源署（IEA）的数据，在2022年间，数据中心消耗的电力约占所有电力的2%，即约460太瓦时（TWh）。随着加密货币和人工智能／机器学习（AI/ML）等高耗能应用的兴起，这个数字肯定会迅速上升，这种激增是基于这些技术中高性能图形处理单元（GPU）的部署来进行电力消耗所做的预计。IEA预测到2026年，数据中心将消耗至少650 TWh，但超过1,000 TWh也并非不可能。

人工智能领域的增长速度相当令人震惊，ChatGPT的用户获取量在前五天就达到了100万用户，在前两个月就达到了1亿个用户，大大超过了TikTok和Instagram的增长速度。想要训练具有1.7万亿个参数，并使用13万亿个词元（token）的GPT-4，需要25,000个NVIDIA A100 GPU，每个服务器消耗约6.5 kW。据OpenAI表示，此次培训耗时100天，消耗了50 GWh能源，耗资1亿美元。

早期的数据中心将电网电压集中转换为12V，并将其总线传输到完成逻辑电平转换（3.3/5V）的服务器。随着功率增加，这种方法的损耗太高，若将总线电压增加到48V，电流减少了4倍，损耗减少了16倍。

随着处理器电压降至3.3V以下至亚伏级，需要在相对较高的功率下使用多个电压轨。这导致了两级转换，其中DC-DC转换器（称为中间总线转换器（IBC））将48V转换为12V本地总线，然后执行较低电压转换。

人工智能数据中心的电源转换需求因其高性能计算和大量数据处理的要求而变得尤为重要。人工智能数据中心需要处理大量的数据和复杂的计算任务，这意味着需要高效能和高密度的电源转换系统。高效的电源转换器可以减少能量损耗，提高总体系统的性能和效率。

数据中心的运行需要高度稳定和可靠的电源供应。电源转换器必须能够在各种负载条件下提供稳定的电压和电流，确保服务器和其他设备的正常运行。此外，高效的电源转换系统可以减少热量的产生，但仍需有效的散热管理。优化的散热设计有助于保持系统的温度在安全范围内，从而延长设备的寿命和提高性能。

随着人工智能应用的快速发展，数据中心的需求也在不断增长。电源转换系统需要具备良好的可扩展性，以便能够灵活地适应未来的扩展需求。尤其是人工智能数据中心的能耗巨大，能效管理是降低运营成本和环境影响的关键。高效的电源转换器可以显着减少能耗，提高能源利用效率。

为了确保数据中心的高可用性，电源转换系统通常需要设计冗余，以应对可能的电源故障。冗余设计可以提供备份电源，在主电源失效时迅速切换，保证系统的连续运行。此外，随着环保意识的提高，越来越多的数据中心开始引入绿色能源，如太阳能和风能。高效的电源转换系统可以更好地整合这些可再生能源，提高总体能效，减少碳足迹。

在电源转换过程中，功率损耗是必然会出现的现象，这些损失是能源浪费，会产生成本，而且它们会产生热量，需要空间和进一步的成本来管理。运营超大规模人工智能数据中心时，将需要120 kW的机架功率。将电网电力转换为GPU电压的效率约为88%，因此会产生15 kW的废热，必须通过液体冷却进行管理。

效率和功率密度（两者相辅相成）是服务器电源设计的关键，来自主电网的能量必须以尽可能少的损失转换为有用电力。为此，拓扑结构不断发展，同步整流等技术得到发展，并且MOSFET已取代整流器中的有损二极管。

增强拓扑只是想要达到成功的一半，为了优化效率，所有元器件也必须尽可能高效，尤其是对于转换过程至关重要的MOSFET。MOSFET不是无损耗器件，它们在导通和开关时会产生损耗。随着服务器电源转向更高频率运行以减小尺寸，开关损耗成为改进的重点。

硅MOSFET通过栅极电压控制源极和漏极端子之间的电流，由于其效率、速度和功率处理能力，它们被广泛用于功率放大器、稳压器和开关电路。安森美推出的低到中压T10 PowerTrench® MOSFET，通过最新的屏蔽栅极沟槽技术降低了开关和传导损耗，其结果是Qg显着降低，R_DS(ON)低于1mΩ。业界领先的软恢复体二极管可减少振铃、过冲和噪声以及Qrr损耗，平衡快速开关应用中的性能和恢复。与早期器件相比，这些新型MOSFET的开关损耗可降低高达50%，传导损耗可降低30%以上。

安森美的新型40V和80V T10 PowerTrench器件可提供一流的R_DS(on)。其中的NTMFWS1D5N08X（80 V、1.43 mΩ、5 mm x 6 mm SO8-FL封装）和NTTFSSCH1D3N04XL（40 V、1.3 mΩ、3.3 mm x 3.3 mm源极向下双冷却封装），具有同类产品中最佳品质因数（FOM），适用于AI数据中心应用中的电源单元（PSU）和中间总线转换器（IBC）。T10 PowerTrench MOSFET符合严格的Open Rack V3效率规范，该规范规定效率为97.5%或更高。

安森美推出的低／中压MOSFET ── NTMFWS1D5N08X 是一款支持功率、单路、N沟道、STD栅极的产品，采用SO8FL-HEFET封装，支持80V、1.43mΩ与253A。这款T10 80V MOSFET是80V市场中一流的产品，该产品将成为云电源、5G电信、其他PSU应用、DC/DC和工业应用的最佳解决方案。这提供了更好的性能，并提高了系统效率和高功率密度，但性能特征较低。

NTMFWS1D5N08X具有FOM、Rsp和功率密度改进，可增强性能并降低成本，其更低的Rsp、低Qg/Qgd、更低的Qgd/Qgs，可提高整体效率，最大限度地减少驱动器损耗，低R_DS(on)可最大限度地减少传导损耗，更低的Qoss和更低的Qrr可改善开关损耗，更软的恢复二极管和更低的Qrr可减少振铃、过冲和噪声，具有稳健性和出色的非鉗位電感開關（UIS），可提高快速开关应用中的雪崩耐用性，这些器件不含铅、不含卤素/BFR，并且符合RoHS标准。

NTMFWS1D5N08X可应用于DC-DC和AC-DC同步整流（SR），以及隔离式DC−DC转换器中的初级开关与电机驱动，常见的最终产品包括电信电源，以及云电源、服务器电源、数据中心，还有电机驱动、太阳能、不间断电源（UPS）等产品。

安森美另一款低／中压MOSFET ―― NTTFS2D1N04HL，是一款N沟道屏蔽栅极PowerTrench® MOSFET，支持40V、150A、2.1mΩ，该N沟道中压MOSFET采用先进的PowerTrench®工艺生产，并结合了屏蔽栅极技术。该工艺经过优化，可以最大程度地降低通态电阻，同时保持卓越的开关性能。

NTTFS2D1N04HL采用屏蔽栅极MOSFET技术，当VGS = 10 V、ID = 23 A时，最大R_DS(on) = 2.1 mΩ，当VGS = 4.5V、ID = 18A 时，最大R_DS(on) = 3.3mΩ，可降低开关噪声与EMI，采用达到MSL1的稳健封装设计，通过100% UIL测试，符合RoHS标准。NTTFS2D1N04HL具有通用性，适用于许多不同的应用，常见的最终产品包括直流-直流电源、中压同步降压转换器等。

在当今快速发展的人工智能时代，电源转换效率的提升至关重要。高效能的电源转换技术，不仅能够满足人工智能应用对高性能计算和大量数据处理的需求，还能显著减少能源消耗和运营成本，从而达到更可持续和环保的目标。通过不断创新和采用先进的电源管理解决方案，我们可以在性能和能效之间取得平衡，确保人工智能技术在各个领域的应用中能够持续发展并发挥最大的效益。因此，投资于提升电源转换效率，不仅是技术进步的需求，更是推动人工智能革命的重要一环。

安森美所推出的低到中压PowerTrench® MOSFET产品系列，具有优异的性能，将能够应用于人工智能应用的数据中心，提供优异的电源转换效率，将会是相关应用的理想选择产品之一。