這家公司如何在不用GaN的情況下,將電源模塊尺寸和效率做到極致?

2020-12-07 EDN電子設計技術

目前，電源行業充滿契機。例如大型服務中心可能包含幾十萬臺伺服器。汽車電子發展也很快，電動汽車和混動汽車所佔比例也越來越高——許多國家都計劃在2025年淘汰燃油汽車。世界各地無人駕駛也有相應的發展路線圖。LED照明也受到廣泛應用，例如美國拉斯維加斯賭場的整條街都採用了LED光源照明。B2pednc

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另外，AI領域發展迅速。在半導體領域，摩爾定律是說每18到24個月電晶體數量和性能翻一倍，而AI領域則提出了數據中心規模每年要翻兩倍。B2pednc

在數字領域，CPU的進展非常快，而在模擬領域，電源的效率提升卻相對緩慢。電源的效率和功率提升取決於電源器件的改良，甚至是原材料的改良，例如磁芯的材料、磁芯的形狀、MOSFET（包括由Si向GaN發展）、數字控制、集成（小型化和輕薄化）、效率等。B2pednc

日前，在Vicor公司深圳技術研討會同期的媒體見面會上，該公司亞太區市場銷售副總裁Eric Wong以及高級經理&總工程師Chris Swartz接受媒體採訪，探討了電源領域出現的重要變化趨勢，以及為何該公司技術能夠出類拔萃，實現極小的模塊尺寸和極高的效率和功率密度。B2pednc

據Eric Wong介紹，Vicor在技術上被公認為業界第一，但是市場份額卻不是那麼突出，原因是覆蓋範圍沒有那麼廣——主要集中在數據中心、軍工、航天、鐵路等應用。B2pednc

在數據中心領域，該公司在CPU和伺服器的解決方案上都有提供。在人工智慧領域，Vicor也在跟各種各樣的AI晶片廠家合作。另外就是汽車。AI除了在數據中心/雲端應用外，另一大應用就是無人駕駛汽車。然後就是延伸到電動和混動汽車。B2pednc

Wong指出，無論是數據中心伺服器、電動汽車還是機器人，它們都需要採用電源來供電，同時也就帶動電源的技術改進。B2pednc

電源設計的優先級改變

「我們理想中的電源是能提供100%的轉換效率，不佔用空間，而且沒有成本。然而，實際上不可能做到。」Wong說。以前，電源工程師的設計優先級是先考慮成本，再考慮效率，最後考慮體積。然而隨著時代的發展，系統變得越來越複雜，體積也越來越小，例如手機的小型化，機器人裡可能包含數千個子系統，還要能動、能飛、能走，在發生危險的時候還要能剎車……因此，系統已經不再只是一塊PCB板，而是變得越來越複雜。B2pednc

系統開發人員要花多少時間在電源上？而且，現在的電源設計優先級已發生改變：體積的要求最高。B2pednc

據介紹，目前一個數據中心佔地幾萬平方米甚至十萬平方米，裡面擠滿了幾十萬臺伺服器。而且，把越多的伺服器放在一起也就越好。怎麼能夠做到？「可能有人會說，地是政府批的，不在乎用地面積，那就錯了。」Wong解釋說，數據中心內的若干伺服器需要考慮怎麼高效地把它們連接在一起——大數據即海量的數據，需要在最短的時間內分析出來（包括降低時延）。這也就是為什麼AI晶片越做越大，例如前不久就有公司做出了一片晶圓僅包含一顆晶片。B2pednc

以前數據中心是用來作存儲，現在則更多地是用來做重要的實時運算。因此我們需要使系統體積儘可能縮小，電源的體積也就要縮小。B2pednc

然而，電源的散熱是個重要考慮因素，帶來的代價也就可能很大。能效也就需要提高，這樣也能使體積得到縮小。然而，以前電源的效率從80%提升到85%看似非常大，而從現在最高的效率，例如98.5%，再想往上提升就愈加困難。B2pednc

「很多電源晶片原廠做不了伺服器項目，是因為效率做得不夠高，散熱做得不夠好。」Wong指出。B2pednc

此外，若能使電源能效提升、體積減小，總系統成本還可得到減小。同時，用戶也會關心實際的採購成本會否降低。B2pednc

拿Vicor去年年底發布的NBM模塊來說，其封裝尺寸僅為2.3x1.7x1.5cm3，外面包銅，並採用先進的散熱材料（下圖中的黑色部分），因此體積小、散熱好。並且由於體積很小，所用材料也很少。而且其量產性能很高，並採用全自動化生產，成本也就低。B2pednc

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Vicor的產品線是基於48V總線向兩邊延伸，例如到負載點（POL），或從12V升壓到48V，從380V或800V總線降壓到48V，從AC到48V。可以為伺服器CPU、存儲器等進行供電。B2pednc

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電流密度和功率密度突飛猛進

下圖是Vicor的負載點電流密度路線圖。從中可以看出，其負載點產品的電流密度從2012年的0.8A/mm2逐漸增長到2019年的2.0A/mm2，而競爭對手這方面的指標在今年才達到0.6A/mm2。B2pednc

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再看其功率密度路線圖，也從2012年的0.8kW/in3增長到了2019年10kW/in3，相當可觀，而競爭對手在今年最高只做到0.8kW/in3。B2pednc

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另外，近些年，Vicor的產品線也在從多品種、小批量的模式向少品種、大批量的方向轉變。「例如，數據中心和汽車應用的差異性沒有那麼大，所以可以以少品種的方式滿足大批量的需求，而鐵路、軍工等應用則差異較大，需要的品種多，但是量卻小。」他解釋說。B2pednc

還有個有趣的現象是，隨著模塊尺寸的縮小，該公司的競爭對手也由原來的臺達和艾默生等轉為了ADI、Infineon、MPS、ST和Renesas等。這個市場也是比原有市場大了很多。B2pednc

48V總線供電趨勢

最後，當問及48V應用的市場情況時，Wong回答說，首先，為了降低能耗，伺服器供電正在從12V向48V轉變。隨著AI和雲計算的興起，雖然48V供電的增幅只有每年百分之幾，但由於數據中心伺服器的基數巨大，增長數量也相當可觀。其次，汽車也在往48V轉變，尤其是在中國，雖然起步較歐洲日本要晚，但是追趕速度卻是很快。B2pednc

為何效率能夠做到如此高？

至於該公司效率為何做得高，Chris Swartz指出，主要是因為其採用了分比式架構（即先穩壓後降壓的拓撲架構）——這是Vicor的專利，目前還在專利期。另外是佔空比，競爭廠商的佔空比可能只能做到1/10，而Vicor的可以做到1/50。例如，48V轉到1V即48:1，別的廠商無法做到。再就是工藝，Vicor的模塊工藝做到了極致，包括功率密度和厚度等。B2pednc

至於GaN等新技術的採用，他補充說，該公司也有計劃嘗試。但是在採用這些新技術前，Vicor就已經達到這種水平了。GaN技術雖好，但是還不成熟。「對於傳統的電源架構來說，雖然它可以提高開關頻率，降低體積，但是也會帶來複雜的EMI問題。」他強調。B2pednc

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