随着人工智能 (AI) 和边缘应用日趋完善和复杂，对处理器、ASIC和FPGA/SoC的计算能力和电源要求也水涨船高。因为这些设备须在更狭小的空间内高效运行，同时保持高性能。垂直电源解决方案克服了传统离散式供电系统在空间效率和热管理方面的局限性。本文探讨了垂直电源的优势和应用，重点介绍了 TDK 的 μPOL，以及它如何解决下一代AI和边缘应用所面临的电源挑战。
随着AI和宽带边缘通信计算能力的持续提升，新型处理器、ASIC和FPGA/SoC对DC-DC供电提出了更高的要求，比如纳入到更紧凑的板级空间和SoC电源集成中。TDK μPOL DC-DC转换器采用嵌入式芯片技术，即SESUB（半导体嵌入基板）技术，实现了更紧凑的尺寸，并无缝贴合1A到200A的垂直电源应用。垂直电源解决方案现已扩展至核心电压、辅助电压、总线电压以及高速串行器芯片电压等诸多应用。图1展示了采用嵌入式芯片技术实现可扩展垂直电源解决方案的高级示例。TDK μPOL可助您将传统离散式供电系统转变为更优的垂直电源设计。
图1：垂直电源组件的集成示例
当下的PCIe硬件加速器和FPGA SoM（模块化系统）设计对垂直电源和高密度解决方案的需求尤为突出。采用新型嵌入式芯片技术解决方案的DC-DC转换器目前在实际应用中可提供从100A/cm³到500A/cm³甚至更高的功率密度（见图2）。图示为功率更高、电流范围为1A至200A的更高端垂直电源解决方案。
图2：采用TDK μPOL解决方案的垂直电源
新的DC-DC转换器解决方案在一个完整的设计中集成了电源IC（集成电路）、电感器、自举电容和封装基板，非常适合垂直供电应用（见图3）。集成电感器不仅减小了平面占板空间，实现了低剖面，从而将装置尺寸压缩到1.2mm至4mm的范围内。
图3：采用TDK μPOL解决方案的垂直电源的三维视图
电源IC晶片内置MosFET和驱动器，并封装在嵌入式芯片基板封装 (SeSUB) 层内，消除了焊线键合并最大限度减少了交互连接需求，从而避免了不必要的功率损耗。此外，晶片上采用铜再分配层，并通过层之间的细铜通孔连接到封装引脚，从而更有效地将芯片热量散到PCB板上。有关芯片嵌入式集成的详细视觉说明（以FS1412结构为例），请点击“阅读原文”观看视频。
图4展示了PCIe硬件加速卡的通用电源框图。所用处理器可选ASIC、SoC或FPGA，外加通信接口结构和其它总线I/O。基于PCIe输入电源的预计规格，电源子系统的功率范围可在75W到150W之间。其中最大电流消耗来自处理器的Vcore电压轨，当下的电压范围为0.45V至0.9V，电流范围为25A到至150A。总电源解决方案可能包含5到15个POL设备。另外，可能需要更多POL电源来支持外围功能，比如USB、音频编解码器、视频接口和以太网GbE端口。鉴于此，紧凑型电源设计旨在满足日趋小型化的板载空间需求。
图4：AI硬件加速器（电源系统概况）
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