这才是数据中心需要的电源解决方案

2021-05-27 13:56:37 来源: 李寿鹏

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正如MPS大电流模块产品经理杨恒先生所说，MPS在电源模块上面一直是不遗余力的，且几乎每个季度都会推出几款新的产品。“我们用更新的技术、更好的封装来替换我们已有的产品。所以现在MPS的电源模块在业界也是非常领先的，产品系列也覆盖了低压到高压，从小电流到大电流的绝大多数的应用。”杨恒强调。

面对当前汹涌而至的云计算浪潮，MPS在日前推出了聚焦于大电流与多输出应用场景的电源模块，为数据中心以及硬件加速卡提供完整的电源解决方案。

新应用对电源提出新需求

众所周知，在过去几年，大数据和人工智能产业实现了非常高速的发展，十四五核心基建将大数据和云计算产业带入了规划之后，更是驱动了包括机器学习、图片识别、信号处理和仿真引擎在内的一批基于大数据与人工智能的应用发展。

伴随着这些新应用的出现，就对数据中心以及云计算相关的基础架构提出了更高的要求。因为这些新的应用会提出超级大的数据量需求，这种处理的需求从数据的采集、传输、分析、处理，在整个一系列的流程当中，都会有很大的处理的计算需求。

“新应用的出现，让传统基于CPU的处理和加速无法满足这些需求。这就给GPU、FPGA、DPU和ASIC等加速芯片带来了机会。”杨恒指出。“随着这些应用越来越广泛，就给电源设计方案提出了更多的挑战”，杨恒补充说。据他看来，这些电源方案需要具备迅捷、高效、集成化和可拓展的特点。

从杨恒的介绍我们可以看到，由于加速硬件在人工智能和大数据领域应用越来越广泛，所以各大加速芯片厂家也都纷纷用更先进的工艺推出了集成度更高的加速芯片。先进制程的使用对于核电压的要求越来越低。同时，加速芯片厂商为了提供拥有更复杂和更完善功能的加速芯片，他们在其上也集成了更多的功能单元。越来越高的集成化就会造成针对加速芯片的电源解决方案会越来越复杂，就是它需要不同电压、不同路的多路的输入，就是电压轨会越来越多。

此外，如下图所示，一个典型的加速芯片对输入电流和输入电压有其要求和波形。为了满足这个应用环境当中对于资源的调用，就要求负载跳变需要 0A-100A, 这是一个很大的动态。

针对这些新需求，我们如果采用传统的的分立电源解决方案，就需要要从选型和采购开始，挑选各种器件，包括芯片，包括产品的驱动芯片还有功率管。还需要根据不同的电感/电容选择合适的环路补偿，这是一个非常耗时的过程；同时，这些传统方案的原理图和布局设计也是比较复杂。再者，由于比较复杂的PCB源布线和原理图，那么就会有可能出现风险，出现多次制板的验证。

这种情况下，模块化电源就是解决相关问题的答案。

模块化电源是正确答案

作为领先的电源专家，杨恒以MPS的MPM3695-100 大电流可拓展模块为例，说明了其新推出的电源模块是如何应对这种挑战。

据介绍，MPM3695-100支持4V-16V 输入; 0.5V-3.3V 输出，可以支持最大 100A 的输出电流。如上图黄框内就是一个100A的解决方案。由此可以看到，这是一个非常紧凑的设计。

“我们把晶圆，包括功率管控制IC，包括被动元件电感电阻，全都集成在这一个15x30mmBGA的封装当中，对于外部元件的要求是非常简洁的，基本上只需要输入和输出电容。”杨恒强调。他进一步指出，这个方案的效率非常高。在这种比较典型的12V 输入, 1V 输出，可以做到高达90%的最高效率。

此外，这个方案还具备了可拓展的功能。那就意味着开发者可以通过简单的信号线的互联，将其从一个100A的解决方案拓展到 800A，这对于加速卡应用来讲是非常友好。

“另外，我们还有一个非常显著的优势，那就是超高速动态响应。我们基于 Constant‐on‐Time，在动态的时候可以针对时钟的频率进行调节，这可以极大地增加我们的动态响应，

减少输出电容的尺寸和数量。”杨恒说。

作为一个高度集成化的产品，MPM3695-100在尺寸方面也极具优势。据杨恒介绍，与分立方案相比，MPM3695-100可以最多降低70%的占板面积。又因为它还是一个数字模块，因此它能提供数字可编程功能，还搭配有MTP，这就让客户可以去优化它们的配置。MPS方面也可以提供提前编程好的模块再出货给客户。从下图我们更是可以看到以MPM3695-100是如何降低客户的原理图和PCB板设计的复杂性。

而据MPS介绍，公司的电源模块能够直接解决数据中心以及硬件加速卡的几点需求：

首先，MPS 独特的 COT（constant-on-time）以及 MCOT(multi-phase constant-on-time) 控制方法，可以实现大动态负载下的高速响应 (Agility)，极大地减少了输出电容的数量，减低了客户的 BOM 成本。以 MPM3695-100 四模块并联应用为例，如图一所示，对于 12V 输入，0.75V输出，0A-250A 的负载大动态切换（100A/us），MPS 电源模块可以超快速响应，实现不超过+/-3%的输出电压偏移。MPS 电源模块的高响应速度帮助客户完美解决了各类加速芯片对于输入电压精度的高要求以及由于计算负载切换而产生的大动态电流的矛盾。

其次，MPS 单晶圆多路输出的芯片设计以及先进封装工艺的应用，使 MPS 电源模块在提供高效率转换（Efficient）的同时还具有高度集成性（Integration），从而减少客户占板面积和成本。

随着人工智能在多领域广泛应用，硬件加速芯片也在片内集成了更多的功能单元，如高带宽内存（HBM），数模转换器（ADC），加速引擎等。更高的加速芯片集成性对于供电系统的设计也提出了挑战。加速芯片中的多个功能单元需要多路电源输入，同时对于电压、电流的要求也各不相同。假如使用多个分立的供电芯片或者模块供电，会极大的增加电源部分的占板面积，使原本已经非常紧凑的加速硬件设计更为困难。

为了应对以上挑战，MPS 推出了多种多路输出电源模块，采用先进封装技术集成了多路输出的功率芯片与被动元器件，提供了全集成的模块解决方案。其中，业界首款四路电源模块 MPM82504 完美地诠释了这一优势，如上图所示，该产品为四路25A 电源模块，同时可实现并联两路，三路，四路，也可以多个 MPM82504 模块并联，实现更灵活的输出组合。

第三，MPS 具有多种全集成多路输出电源模块，包括双路输出、四路输出产品，为更多的应用提供了完整解决方案。

如下图所示，MPS 多路输出模块的规格，其中双路输出模块 MPM3690 系列产品有三种输出规格可选，它的双路 EN/PG 管脚可用作时序控制。四路输出模块 MPM81204 是一款双路 12A / 双路 5A 电源模块，具有高速动态响应，外部元件极其简单，非常适合 5G 信号收发器等应用。当然还有曾荣获“年度电源管理/电压转换器”称号的 MPM54304（首款带数字电源管理功能的电源模块），以及它的升级款 MPM54504-四路 5A 电源模块等一系列优秀产品。

第四，多路可并联电源模块为加速芯片日益增加的电流需求提供了可拓展性（Scalable），为不同场景下多路电源及不同电流的需求提供了单一模块的解决方案，进一步减少了客户新产品的研发成本及时间，同时可快速匹配加速芯片厂商对于不同的加速场景所推出的各类芯片。

由于各个芯片对于供电电流和电压轨数量各不相同，加速硬件厂商需要针对不同的加速芯片重新设计电源方案，增加了产品研发时间和成本。为了实现加速硬件对于不同加速芯片供电方案的快速设计，MPS 推出了多款可拓展的电源模块。这样，加速硬件设计师就可以重复使用单一电源模块的设计，通过并联电源模块的多个输出或并联多个模块来实现输出电流的拓展。

以 MPM3695-100 为例，该产品可以由单模块 100A 输出扩展为：双模块 200A，3 模块 300A，最多 8 模块并联 800A 输出等供电方案，以支持更广泛的系统要求。图上图展示了该模块在 8 模块并联的应用。

“在应对云计算与硬件加速对供电系统提出的四个趋势上，MPS 电源模块优势独特，可以帮助客户成功、快速地开发高集成性、可扩展、高效率的解决方案。”，MPS方面强调。

责任编辑：sophie

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