如何追回供电网络中的损耗

追回供电网络中的损耗

摘要

最新的处理器，特别是AI应用中的GPU，可以消耗超过1000 A的峰值电流。为了将它们的电压轨维持在可接受的精度内，负载点（PoL）稳压器必须尽可能安装在能靠近芯片的位置。本篇博文中,我们将讨论“垂直供电”这一方案，因为它是接近解决此问题的最优解。

博文

在赌场上，最糟糕的想法就是试图追回输掉的损失，直至愈陷愈深倾家荡产。但是在供电网络的设计中，如果你不想追回“损失”，那么你就是在拿自己的工作冒险。非必要消耗的每瓦功率都是金钱和环境成本，并与随之而来增加的散热成本一同递增。

电流因电阻而产生散耗，所以，与市电AC供电一样，高电压/低电流式的配电是最好选择。例如，最近的趋势是将刀片服务器中的总线电压从12 V增加到48 V，由于“平方律”，电流将减少1/4，并将线路电阻中的功率损耗减少了16倍，但这仅限于电路板（PCB）设计人员没用更薄的走线线径盗取您的增益的情况。

在AI应用中GPU电流消耗峰值可超过1000 A

然而，终端负载处的高电流不可避免，最新的GPU、FPGA和CPU在某些情况下可消耗超过1000A电流，而电压仅为几分之一伏。因此，尽管我们在此功率级别下可以以48 V电压和15 A额定电流来走线，我们仍然需要PoL转换器来生成低电压。

此方式历来有一大难点，对于非隔离式DC/DC转换器，例如具有高输入/输出电压比的PoL，转换效率往往更低，如下图所示。这就导致可能会在5 V或12 V电压下使用第二条中间总线，但届时就会用到更多转换器，并可能会产生更多损耗。然而，对DC/DC转换效率曲线进行检查后，我们发现可能存在一个“最佳点”，在该处时，拥有较低转换比的多级式可以和单级式一样高效。更多转换器意味着更高的成本，但如果整体效率更高，就能通过散热系统的节省来抵消成本。

DC/DC转换器的效率会随电压转换比的变化而大幅变化

不过，我们不应太关注效率百分比，耗散的功率才是关键指标。例如，虽然上图中的效率变化很大，但这些数字是针对提供40 A电流、或是0.6 V下提供24 W以及3.3 V下提供132 W的转换器。各个情况下的实际损耗基本相同，在4.5到5.5 W之间。

毫欧连接电阻值超出承受

在负载和IC中会产生严重功耗，相邻的PoL也会产生较小程度的功耗。在峰值超过1000 A的电流之下，连接电阻必须非常低，以避免无法接受的电压降和显著的额外功耗。如果PoL安装在靠近负载的PCB上，那么连接电阻很容易接近1毫欧总值，即使使用较厚的走线也会如此，而且这样还会阻塞数据线。在消耗峰值电流高达1000 A的情况下，这将在连接中产生完全无法正常运行的1 V电压降和1 kW峰值散耗。

另一个问题是连接电感。AI机器学习等最新的服务器应用通常有较高的峰值负载需求，其中GPU的电流消耗可能会快速陡升或陡降。例如，如果在1 ms内发生100 A阶跃，那么只需大约100 nH就能引起10 mV电压阶跃。这一电感值仅仅是几厘米之内的总追踪量，包含往返。

获得最佳性能的目标是让最终的PoL转换器尽可能靠近负载，而这一目标的最佳实现方式是Flex Power Modules所支持的“垂直供电（VPD）”法。该方案中，定制的PoL安装在PCB底部，位于负载IC的正下方，PoL的引脚输出与目标IC焊球排布匹配，以实现最短的连接。这样，连接电阻约为10 µΩ，电感约为几nH，产生可接受的电压变化与耗散。

应对0%效率

PoL设计人员努力将转换效率推至接近100%。但通过VPD，DC/DC转换器现在紧靠负载，其（电气方面的）效率为0%，因为所有输入功率（可能是0.5 kW）都被转化为芯片中的热量。因此，散热是一项主要的考量，DC/DC必须与IC散热系统集成，通常是以带有液体冷却剂的冷板热交换器构成直达芯片（D2C）的方式实现。

逆转胜负

您不必再在高性能计算领域的供电系统设计中一赌运气。DC/DC转换架构的新思路，例如垂直供电，可让您在Flex Power Modules的密切技术支持和指导下拥有更优化的解决方案。

审核编辑：彭菁