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这家公司如何在不用GaN的情况下,将电源模块尺寸和效率做到极致?

2019-11-12 13:49:35 赵明灿 阅读:
以前,电源工程师的设计优先级是先考虑成本,再考虑效率,最后考虑体积。然而,随着时代的发展,系统变得越来越复杂,体积也越来越小,系统已经不再只是一块PCB板,而是变得越来越复杂。系统开发人员要花多少时间在电源上?而且,现在的电源设计优先级已发生改变:体积的要求最高。

目前,电源行业充满契机。例如大型服务中心可能包含几十万台服务器。汽车电子发展也很快,电动汽车和混动汽车所占比例也越来越高——许多国家都计划在2025年淘汰燃油汽车。世界各地无人驾驶也有相应的发展路线图。LED照明也受到广泛应用,例如美国拉斯维加斯赌场的整条街都采用了LED光源照明。ygtednc

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另外,AI领域发展迅速。在半导体领域,摩尔定律是说每18到24个月晶体管数量和性能翻一倍,而AI领域则提出了数据中心规模每年要翻两倍。ygtednc

在数字领域,CPU的进展非常快,而在模拟领域,电源的效率提升却相对缓慢。电源的效率和功率提升取决于电源器件的改良,甚至是原材料的改良,例如磁芯的材料、磁芯的形状、MOSFET(包括由Si向GaN发展)、数字控制、集成(小型化和轻薄化)、效率等。ygtednc

日前,在Vicor公司深圳技术研讨会同期的媒体见面会上,该公司亚太区市场销售副总裁Eric Wong以及高级经理&总工程师Chris Swartz接受媒体采访,探讨了电源领域出现的重要变化趋势,以及为何该公司技术能够出类拔萃,实现极小的模块尺寸和极高的效率和功率密度。ygtednc

据Eric Wong介绍,Vicor在技术上被公认为业界第一,但是市场份额却不是那么突出,原因是覆盖范围没有那么广——主要集中在数据中心、军工、航天、铁路等应用。ygtednc

在数据中心领域,该公司在CPU和服务器的解决方案上都有提供。在人工智能领域,Vicor也在跟各种各样的AI芯片厂家合作。另外就是汽车。AI除了在数据中心/云端应用外,另一大应用就是无人驾驶汽车。然后就是延伸到电动和混动汽车。ygtednc

Wong指出,无论是数据中心服务器、电动汽车还是机器人,它们都需要采用电源来供电,同时也就带动电源的技术改进。ygtednc

电源设计的优先级改变

“我们理想中的电源是能提供100%的转换效率,不占用空间,而且没有成本。然而,实际上不可能做到。”Wong说。以前,电源工程师的设计优先级是先考虑成本,再考虑效率,最后考虑体积。然而随着时代的发展,系统变得越来越复杂,体积也越来越小,例如手机的小型化,机器人里可能包含数千个子系统,还要能动、能飞、能走,在发生危险的时候还要能刹车……因此,系统已经不再只是一块PCB板,而是变得越来越复杂。ygtednc

系统开发人员要花多少时间在电源上?而且,现在的电源设计优先级已发生改变:体积的要求最高。ygtednc

据介绍,目前一个数据中心占地几万平方米甚至十万平方米,里面挤满了几十万台服务器。而且,把越多的服务器放在一起也就越好。怎么能够做到?“可能有人会说,地是政府批的,不在乎用地面积,那就错了。”Wong解释说,数据中心内的若干服务器需要考虑怎么高效地把它们连接在一起——大数据即海量的数据,需要在最短的时间内分析出来(包括降低时延)。这也就是为什么AI芯片越做越大,例如前不久就有公司做出了一片晶圆仅包含一颗芯片。ygtednc

以前数据中心是用来作存储,现在则更多地是用来做重要的实时运算。因此我们需要使系统体积尽可能缩小,电源的体积也就要缩小。ygtednc

然而,电源的散热是个重要考虑因素,带来的代价也就可能很大。能效也就需要提高,这样也能使体积得到缩小。然而,以前电源的效率从80%提升到85%看似非常大,而从现在最高的效率,例如98.5%,再想往上提升就愈加困难。ygtednc

“很多电源芯片原厂做不了服务器项目,是因为效率做得不够高,散热做得不够好。”Wong指出。ygtednc

此外,若能使电源能效提升、体积减小,总系统成本还可得到减小。同时,用户也会关心实际的采购成本会否降低。ygtednc

拿Vicor去年年底发布的NBM模块来说,其封装尺寸仅为2.3x1.7x1.5cm3,外面包铜,并采用先进的散热材料(下图中的黑色部分),因此体积小、散热好。并且由于体积很小,所用材料也很少。而且其量产性能很高,并采用全自动化生产,成本也就低。ygtednc

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Vicor的产品线是基于48V总线向两边延伸,例如到负载点(POL),或从12V升压到48V,从380V或800V总线降压到48V,从AC到48V。可以为服务器CPU、存储器等进行供电。ygtednc

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电流密度和功率密度突飞猛进

下图是Vicor的负载点电流密度路线图。从中可以看出,其负载点产品的电流密度从2012年的0.8A/mm2逐渐增长到2019年的2.0A/mm2,而竞争对手这方面的指标在今年才达到0.6A/mm2ygtednc

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再看其功率密度路线图,也从2012年的0.8kW/in3增长到了2019年10kW/in3,相当可观,而竞争对手在今年最高只做到0.8kW/in3ygtednc

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另外,近些年,Vicor的产品线也在从多品种、小批量的模式向少品种、大批量的方向转变。“例如,数据中心和汽车应用的差异性没有那么大,所以可以以少品种的方式满足大批量的需求,而铁路、军工等应用则差异较大,需要的品种多,但是量却小。”他解释说。ygtednc

还有个有趣的现象是,随着模块尺寸的缩小,该公司的竞争对手也由原来的台达和艾默生等转为了ADI、Infineon、MPS、ST和Renesas等。这个市场也是比原有市场大了很多。ygtednc

48V总线供电趋势

最后,当问及48V应用的市场情况时,Wong回答说,首先,为了降低能耗,服务器供电正在从12V向48V转变。随着AI和云计算的兴起,虽然48V供电的增幅只有每年百分之几,但由于数据中心服务器的基数巨大,增长数量也相当可观。其次,汽车也在往48V转变,尤其是在中国,虽然起步较欧洲日本要晚,但是追赶速度却是很快。ygtednc

为何效率能够做到如此高?

至于该公司效率为何做得高,Chris Swartz指出,主要是因为其采用了分比式架构(即先稳压后降压的拓扑架构)——这是Vicor的专利,目前还在专利期。另外是占空比,竞争厂商的占空比可能只能做到1/10,而Vicor的可以做到1/50。例如,48V转到1V即48:1,别的厂商无法做到。再就是工艺,Vicor的模块工艺做到了极致,包括功率密度和厚度等。ygtednc

至于GaN等新技术的采用,他补充说,该公司也有计划尝试。但是在采用这些新技术前,Vicor就已经达到这种水平了。GaN技术虽好,但是还不成熟。“对于传统的电源架构来说,虽然它可以提高开关频率,降低体积,但是也会带来复杂的EMI问题。”他强调。ygtednc

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赵明灿
赵明灿是EDN China的产业分析师/技术编辑。他在电子行业拥有10多年的从业经验。在加入ASPENCORE之前,他曾在电源和智能电表等领域担任过4年的工程师。
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