垂直式电源模块的应用示例方案

摘要

如今在AI、机器学习和流媒体等领域的数据处理的剧增，使服务器芯片消耗的峰值电源电流可能超过1000 A。相关应用的电源转换模块必须比过去安装得更近，才能避免电压降。本博客文章介绍了垂直式电源模块，能够帮助解决这个问题。

从使用异乎寻常的能力模拟人类思维并即时回复信息的毫不起眼的家庭助手，到通过边缘计算和云端来控制大型工厂，AI和“大数据”的影响遍及我们的生活。这些惊人的性能表现要归功于服务器中的快速自我学习的软件算法与芯片，现在这类服务器中拥有多达数十亿计的晶体管。虽然数据处理的需求仍在增加，这些CPU（中央处理器）、GPU（图形处理器，显卡）、FPGA（现场可编辑逻辑门阵列）和ASIC（专用集成电路）的物理尺寸却无法再增大了，它们必须维持紧凑的尺寸以保障速度，而数据中心经理们需要在机架中装入更多的服务器刀片，以实现对空间与硬件的最佳利用。

电流消耗随数据吞吐量的增加而增加

物理定律决定一切。即使每瓦（W）性能提升了，这些集成电路（IC）的功耗也显著增加，以至于在高电流转换率下连续消耗数百安（A）电流，峰值超过一千安。设计人员降低了电源轨电压，以将产生的额外耗散最小化，但这使配电网络（PDN，power distribution network）的设计变得复杂。因此，常见的方案是先使用“中间总线转换器（IBC）”进行功率转换，然后使用“负载点（PoL）”转换器或稳压模块（VRM）来使损耗最小化（图 1）。方案中PoL/VRM被置于尽可能靠近端负载的同一横向平面上，但在最高电流下，即使安装在负载附近的连接距离也仍然会沿轨道产生来自电阻和固有电感的电压降，使性能下降。

图1：常见的中间总线功率转换方式

一种解决方案是将PoL/VRM直接放置在芯片下方，使连接距离尽可能地接近，这种方案可以通过Flex Power Modules最新定制的产品与设计能力来实现。这类DC/DC转换器产品的术语名为“垂直供电（VPD）”，它们的引脚排列经过定制，有着多达2400个焊球，能够直接与处理器引脚排列相匹配，而且其矮版外形能允许底部安装。将转换级直接放置在负载下方，能将大电流传输需要的距离最小化，从而显著降低PDN电阻与损耗，帮助提升系统效率和负载瞬态响应。

图2展示了一个VPD模块的示例方案，该模块可以在1-7个电压轨下实现8-32相功率转换。

图2：为垂直供电配置的Flex Power Modules的PoL DC/DC转换器

这个近期案例是为关键客户开发的定制产品，额定电流为连续670 A/峰值1300 A，在5-7.5 V输入范围下运行，输出0.6-0.9 V可编程电压，效率为86%。使用时需要一个外部控制器组件，同样由Flex Power Modules开发，可以处理16相并联功率级电路，而且包含监控与告警功能。实物上来说，该案例的尺寸为43 x 22 x 6 mm（长*宽*高），包含800个用于BGA连接的焊球。产品产生的热量透过一块通常使用液体冷却的冷板来散热，冷板安装在模块的顶侧，功率半导体也被安装在同一面。

VPD解决方案最好量身定制

为获得最优方案，VPD模块针对应用的具体情况进行定制设计，其引脚排列与目标负载芯片相匹配，而且电气规格也量身定做。这将会决定电源相位的数量和电压，同时VPD的散热性能将匹配可用的散热条件，通常称为“直接到达芯片”或D2C冷却。Flex Power Modules接下来会继续与该客户合作，以满足所要求的功率和成本预算、时间范围和性能表现。

VPD产品的未来

Flex Power Modules提供定制化设计研发来扩展其VPD系列产品的规模，以紧跟行业中既要维持功率质量、又不断刷新的峰值电流需求。留意您下一个想要攀登的巅峰，它必将会插上Flex Power Modules的旗帜。

关于Flex Power Modules

Flex Power Modules是Flex公司的一条业务分支，是可扩展DC/DC电源转换器的领先制造商和解决方案提供商，主要服务于数据处理、通信、工业和运输市场等领域。公司提供广泛的隔离式和非隔离式解决方案，其数字化DC/DC转换器产品拥有由强大的Flex Power Designer支持的PMBus兼容性。

审核编辑：汤梓红