因應人工智慧伺服器對電力消耗的爆發性成長，資料中心正經歷電力架構的重大變革，逐步從傳統的 400V 交流電（AC）升級至 800V 直流電（DC）。在整體資料中心的供電架構中，電源供應單元（PSU）扮演著關鍵樞紐，主要任務為將來自電網的 AC 電源轉換為 IT 設備運作所需的穩定 DC 電力。本研究報告旨在深入探討伺服器 PSU 在 400V AC 轉向 800V DC 過程中的特徵變化，並剖析能有效化解 AI 伺服器新一代供電瓶頸的核心技術。
隨著AI伺服器的功率需求呈現指數增長，資料中心的配電電壓正從400V AC電力轉換為800V DC電力。伺服器中的電源供應單元(PSU)是資料中心電源系統的核心元件。這些PSU負責將電網交流電(AC)轉換為供IT設備使用的穩定直流電(DC)。此報告分析伺服器從400V AC架構轉換至800V DC架構時，伺服器中PSU的特性，並探索可因應AI伺服器產業新興挑戰的關鍵技術。
資料中心伺服器PSU架構演變
資料中心的電源架構從AC配電轉為DC配電；長期目標是開發與固態變壓器(SST)整合的DC微電網。最後，機架級PSU將被IT托盤中的超小巧IBC(中間匯流排轉換器)所取代。此轉換器不需要DC輸入下的功率因數校正(PFC)級，且只需要處理隔離與電壓轉換。然而，變更資料中心的整體電源基礎架構有難度也帶有風險，因為大多數傳統設備仍不支援800V DC架構。
電源機架在協助順利且可控地轉換至800V DC電源架構方面表現優異。如文章所述，資料中心會逐步進化以滿足AI所帶來的大量電源需求[5]，圖1-1中，清晰地顯示了電源機架將傳統的480V AC轉換為800V DC，因此具有800V DC輸入的運算機架，仍可在傳統480V AC配電架構下運作。此外，機架中的PSU亦包括傳統機架級PSU的所有功能。因此，本文將重點介紹機架中的PSU。
圖1-1 資料中心電源架構演進
資料中心伺服器中PSU的要求
PSU是電源轉換系統的基本組成元件，必須配合必要的電源架構轉換，並滿足整體系統的所有需求。PSU的核心需求是效率、穩定性和安全性。
更高的效率需求
新型資料中心對PSU的效率標準遠比傳統的80 PLUS認證嚴格。對於傳統伺服器中的PSU，80 PLUS認證中的最高標準是Ruby等級，它要求在半負載下實現96.5%的效率。在現代資料中心中，PSU正利用隨附的冷卻風扇電源，以追求98%以上的峰值效率。
由GPU驅動的快速暫態響應
在現代資料中心中，圖形處理單元(GPU)是電力基礎架構的主要負載。所有GPU相互協作，這些GPU的功耗在同步操作下迅速波動，在毫秒內在空閒和峰值負載之間切換[2]。
這些暫態負載特性對PSU帶來重大挑戰。PSU必須快速回應負載暫態(以維持輸出電壓)，並在暫態期間維持所有並聯PSU之間的電流共享(以避免個別電源過載)。同時，PSU必須在AC輸入端與內部能量儲存一起調節此電源波動。在Mt.Diablo 400規格，負載瞬態期間的電壓偏差必須嚴格控制在輸出電壓的±3%內。此外，NVIDIA對在巨大負載暫態期間的AC波動提出了明確的要求。
智慧化與安全性
現代PSU不再是獨立的元件。PSU正逐步演變為具備連網能力的智慧裝置，可提供即時監控、管理與調整功能。這種轉變促使通信埠到達高速埠，例如Controller Area Network(CAN)、Ethernet for Control Automation Technology(EtherCAT)或乙太網路。
至關重要的是，必須透過完善的資安機制保護智慧化管理功能，以保護電力系統免受惡意攻擊。關鍵安全防護措施包括加密通訊協定，含數位簽章的安全韌體更新(以防止竄改)，以及存取控制機制以限制未經授權的設定變更。
800V DC架構下PSU設計變化
機架PSU設計與800V DC架構下的傳統電源架PSU大體相同，但具有機架電源。也就是說，機架PSU設計可保留功率因數校正(PFC)輸入級和隔離式DC-DC輸出級，並使用返馳級產生控制功率和待機功率。然而，由於功率容量巨大以及輸入和輸出電壓變化，機架PSU的結構也會有一些變化。圖3-1和圖3-2中顯示了這兩個結構，以下列出了結構之間的詳細比較。
圖3-1 傳統機架PSU架構原理圖
圖3-2 800V DC架構PSU原理圖
在傳統的供電架PSU中：
- PFC拓撲結構是具有SiC或GaN的單一AC、圖騰柱PFC。
- DC-DC級大多數使用600V或650V電源開關。
- 輔助電源使用400V DC連結。通常這是單開關返馳。
- ORing(理想二極體接合／電源路徑接合)電路的額定電壓為48V。
- 通訊介面不需要隔離。
- 冷卻風扇可從48V主輸出供電。
在800V機架PSU中：
- PFC級主要使用3相AC Vienna PFC，因此電源開關多數採用背對背或雙向。
- DC-DC級需要1,200V SiC或650V序列拓撲結構來處理800V DC連結電壓。
- 輔助電源大部分需要1,200V裝置或序列返馳。
- ORing電路必須藉助專用偏壓電源，處理800V額定值。
- 通訊介面可能需要與800V匯流排隔離。
- 冷卻風扇無法使用主輸出，因為800V過高。
新一代PSU關鍵技術解析
氮化鎵(GaN)可減少切換能量損耗並提升效率
相較於傳統的矽(Si)裝置，GaN和碳化矽(SiC)皆可提供更高的效率，進而推動PSU設計轉型。與SiC相比，GaN具有更低的切換能量損耗，因此更適合高切換頻率應用。
圖4-1比較德州儀器(TI)的GaN技術與領先業界的SiC和超級接面Si裝置。比較結果顯示TI的GaN可大幅降低切換能量損耗，並實現更高的運作頻率[6]。
這種效率提升在轉換傳導模式(Transition Conduction Mode, TCM)圖騰柱PFC參考設計(圖4-2中的PMP40988)中獲得證實，該設計運用了LMG3526 GaN裝置的零電壓偵測(Zero Voltage Detection, ZVD)功能，以及另一種利用零電流偵測(Zero Current Detection, ZCD)的設計(PMP23475)。這兩種設計的峰值效率均高於99.0%[8、10]。
圖4-1 切換損耗比較
圖4-2 PMP40988效率曲線
圖4-3 PMP40988 TCM圖騰柱PFC（採ZVD GaN設計）
雙向GaN成本降低Vienna PFC解決方案
在800V DC架構中，3相Vienna PFC拓撲結構廣泛採用於PFC級，如圖4-4，因為此拓撲結構可將電源裝置的電壓應力降至DC鏈路電壓的一半，因此相較於雙層轉換器，可使用成熟的650V MOSFET，並提供更低的切換損耗[7、12]。
圖4-4 TIDM-1000三相Vienna PFC整流器
在Vienna PFC電路中，電源開關會與背對背配置串聯使用，以雙向處理AC。但雙向GaN(Bidirectional GaN, BDG)是一種單體式常關閉型雙向開關，可直接雙向處理電流，因此，一個BDG即可取代四個具有相同導通電阻的Si或SiC MOSFET，如圖4-5所示。這種創新具有重大的前景，但需要市場的進一步驗證。TIDA-01606參考設計展示了BDG在T型轉換器中的應用，並提供支援此應用潛力的初步數據[3]。
圖4-5 BDG與四個背對背Si MOSFET之等效關係
混合磁滯控制LLC有助於加快暫態響應
在DC-DC級中，電感器-電感器-電容器(Inductor-Inductor-Capacitor, LLC)共振拓撲結構通常是實現高效率與功率密度的首選。然而，由於控制迴路中採用可變的雙極，傳統直接頻率控制(Direct Frequency Control, DFC)難以強化控制頻寬。混合磁滯控制(Hybrid Hysteretic Control, HHC)可調節每個切換週期的能量傳輸，並藉由簡單的比例積分微分控制器(Proportional-Integral-Derivative, PID)實現快速動態響應。
如圖4-6中所示，HHC迴路將充電模式控制和直接頻率控制與內部諧振電容器電壓(Resonant Capacitor Voltage, VCR)迴路上的補償斜率相結合。圖4-7比較此設計採用DFC與HHC時的波德圖。測試結果顯示混合磁滯控制LLC可在廣泛輸入電壓範圍中維持更佳的負載暫態響應，而使用DFC的迴路頻寬則因雙極的影響而難以補償。
圖4-6 HHC控制之LLC架構
圖4-7 DFC與HHC控制之波德圖比較
PMP41081的參考設計展示HHC方法，相關細節可參閱註釋1、4、11。
高壓ORing控制支援800V熱交換
從48V匯流排移至±400V或±800V匯流排，可透過降低電流減少銅損耗。然而，此轉換方式也會對ORing電路帶來挑戰，後者必須感測並承受較高的電壓。圖4-8展示利用低電壓ORing控制器實現的400V DC高壓側ORing設計。在此設計中，電壓感測會由電壓箝位電路處理，而控制器的偏壓功率則由隔離式電源供應器提供，這可將靜態功耗降到最低。
圖4-8 400V高壓側ORing設計
隨著資料中心從AC配電逐步轉向為DC配電，資料中心伺服器中的PSU將逐步朝IT托盤前端IBC架構演進，電源機架則讓此演進過程得以平順且可控地完成。電源機架是傳統AC配電與未來的800V DC配電間的連結，透過提供大量電力與能源儲存，讓負載暫態更加平順。
機架PSU的功能與傳統PSU相同，只需稍加修改，新技術也讓資料中心PSU變得更有效率且更可靠；其具體範疇包括GaN裝置、HHC LLC和800V級控制器與轉換器。
本文作者為德州儀器系統應用工程師)
參考資料
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