在算力需求與碳中和目標的雙重約束下，數(shù)據(jù)中心行業(yè)正從單一指標極致化轉(zhuǎn)向系統(tǒng)級優(yōu)化，對相關(guān)元器件的功率密度和效率提出了更高要求。與此同時，現(xiàn)代數(shù)據(jù)中心體量持續(xù)擴大，安全可靠性的重要性愈發(fā)凸顯。德州儀器系統(tǒng)經(jīng)理游聲揚表示，現(xiàn)代 AI 數(shù)據(jù)中心正驅(qū)動云計算、人工智能、5G 等技術(shù)迅猛發(fā)展，隨之而來的是數(shù)據(jù)中心對電源需求的急劇攀升，更高的功率密度與效率成為行業(yè)核心挑戰(zhàn)。如何在高性能計算與能源效率之間找到平衡，已成為推動數(shù)據(jù)中心持續(xù)演進的關(guān)鍵。
為幫助現(xiàn)代數(shù)據(jù)中心應對上述挑戰(zhàn)，德州儀器（TI）推出新款電源管理芯片，以滿足其快速增長的電源需求。其中，TI 發(fā)布的采用行業(yè)標準 TOLL 封裝的集成式 GaN 功率級系列（LMG3650R035、LMG3650R025 和 LMG3650R070），在功率密度和效率方面實現(xiàn)了顯著提升；新款 TPS1685 則是具備電源路徑保護功能的 48V 集成式熱插拔電子保險絲，可助力客戶滿足數(shù)據(jù)中心硬件及處理需求。
功率密度 > 100W/in³ 的集成式 GaN 功率級系列
在提升效率和功率密度領(lǐng)域，第三代半導體的價值日益凸顯。在電源設(shè)計中，GaN（氮化鎵）作為第三代寬禁帶半導體材料，憑借高頻高效、耐高溫、高功率密度的特性，正成為數(shù)據(jù)中心電源提升效率與功率密度的核心技術(shù)突破口。GaN 在數(shù)據(jù)中心電源轉(zhuǎn)換系統(tǒng)中的顛覆性優(yōu)勢主要體現(xiàn)在以下方面：高頻高效轉(zhuǎn)換，降低電能損耗：GaN 器件的開關(guān)速度遠超硅基 MOSFET，且反向恢復損耗幾乎為零，可實現(xiàn)高效電源設(shè)計；減小被動元件體積，提升功率密度：高頻工作模式允許使用更小的電感和電容，因此 GaN 器件可大幅壓縮電源模塊體積，縮短板級輸電距離，降低線纜損耗，進而實現(xiàn)高功率密度。
不過，GaN 器件也面臨技術(shù)挑戰(zhàn)�，F(xiàn)有數(shù)據(jù)中心架構(gòu)多基于硅基器件設(shè)計，改用 GaN 需重新優(yōu)化驅(qū)動電路、散熱方案和控制算法，尤其是驅(qū)動器與 GaN 器件的匹配存在一定技術(shù)門檻。游聲揚指出，TI 推出的集成式 GaN 功率級系列（LMG3650R035、LMG3650R025 和 LMG3650R070）集成了高性能柵極驅(qū)動器與 650V GaN 場效應晶體管（FET），同時實現(xiàn)了高效率（>98%）和高功率密度（>100W/in³）。這些器件還集成了過電流保護、短路保護和過溫保護等先進功能，這對服務器電源等交流 / 直流應用尤為重要 —— 設(shè)計人員需在更小空間內(nèi)提供更大功率。
在實際應用中，TI 集成式 GaN 功率級系列的集成柵極驅(qū)動器可幫助設(shè)計人員構(gòu)建簡潔的高密度布局，同時顯著減少寄生耦合。這一特性在高開關(guān)頻率的電源轉(zhuǎn)換中尤為關(guān)鍵，因為柵極環(huán)路中的電路寄生耦合會導致柵極噪聲和重疊損耗增加。而使用集成式功率級，寄生耦合可降至極低水平，且布局設(shè)計更簡化。值得一提的是，集成式 GaN 功率級系列采用工業(yè)標準變壓器外形無引腳（TOLL）封裝，設(shè)計人員可直接利用 TI GaN 器件的效率優(yōu)勢，無需進行成本高昂且耗時的重新設(shè)計。傳統(tǒng) GaN 器件常因初期改造難度大，迫使設(shè)計人員放棄升級，而 TI 的方案有效解決了這一痛點。
保護能力達 6kW 以上的熱插拔電子保險絲
TI 推出的另一款新品是48V 可堆疊集成式熱插拔電子保險絲 ——TPS1685。TPS1685 是一款集成式大電流電路保護與電源管理器件，僅需少量外部元件即可提供多種保護模式，能有效抵御過載、短路和浪涌電流沖擊。針對浪涌電流有特殊要求的應用，可通過單個外部電容器設(shè)定輸出轉(zhuǎn)換率；用戶還可根據(jù)系統(tǒng)需求設(shè)置輸出電流限制電平。借助用戶可調(diào)節(jié)的過流消隱計時器，系統(tǒng)可在電子保險絲不跳閘的情況下支持負載電流瞬態(tài)峰值。此外，集成的快速、準確模擬負載電流監(jiān)測器有助于開展預測性維護，而Intel PSYS 和 PROCHOT 等先進動態(tài)平臺電源管理技術(shù)可優(yōu)化服務器和數(shù)據(jù)中心性能。
游聲揚介紹，采用分立式熱插拔控制器和外部場效應晶體管（FET）時，功率通常僅為 4kW；而集成式解決方案 TPS1685 可將功率擴展至6kW 以上。由于集成了熱插拔控制器和 FET，該方案元件數(shù)量更少，設(shè)計更精簡 —— 無需檢測電阻和電流傳感放大器即可監(jiān)測電流，元件數(shù)量和解決方案尺寸減少 50%。此外，TPS1685 采用30mm² 薄型四方扁平無引腳（LQFN）封裝，可提供可靠且智能的電源路徑保護。
傳統(tǒng)電子保險絲并聯(lián)運行時面臨顯著挑戰(zhàn)，如漏源導通電阻（RDS (ON)）、PCB 布線電阻和比較器閾值不匹配，可能導致電子保險絲間電流分配不均，引發(fā)過早跳閘或誤跳閘。而設(shè)計人員可通過并行連接多個 TPS1685 器件，增加高功率系統(tǒng)的總電流容量。所有器件在啟動和穩(wěn)態(tài)期間可主動同步運行狀態(tài)并共享電流，避免部分器件過載導致并行鏈過早或部分關(guān)閉，使設(shè)計人員能夠通過可擴展的器件滿足 > 6kW 的高功率處理需求。
