在人工智能（AI）、云計算和5G技術(shù)迅猛發(fā)展的推動下，現(xiàn)代數(shù)據(jù)中心正迎來前所未有的變革。服務器機架的功率需求激增，48V母線架構(gòu)逐漸取代傳統(tǒng)12V系統(tǒng)，高功率密度、高效率和可靠保護成為行業(yè)核心挑戰(zhàn)。德州儀器（Texas Instruments, TI）以其在半導體領(lǐng)域的深厚積淀，于近日發(fā)布了全新電源管理芯片TPS1685和氮化鎵（GaN）器件LMG3650。這兩款產(chǎn)品通過高度集成化設(shè)計、優(yōu)化的性能和靈活的應用支持，為AI數(shù)據(jù)中心提供智能、可靠的電源管理方案，助力行業(yè)在高性能計算與能源效率之間找到完美平衡。本文將深入剖析這兩款產(chǎn)品的技術(shù)亮點、應用場景及對數(shù)據(jù)中心電源架構(gòu)的深遠影響。

AI潮起，數(shù)據(jù)中心電源管理迎來時代命題

AI數(shù)據(jù)中心的崛起正在重塑全球科技格局。從生成式AI模型訓練到實時云端推理，GPU和TPU等高性能計算單元的廣泛應用使得服務器電源需求呈指數(shù)級增長。以往以CPU為主的12V電源架構(gòu)因高電流帶來的銅損問題已難以滿足現(xiàn)代需求，而48V母線通過降低電流顯著提升效率，成為行業(yè)新標準。然而，48V架構(gòu)的普及帶來了新的挑戰(zhàn)：如何在更高電壓下實現(xiàn)精準的保護機制？如何在有限空間內(nèi)提升功率密度？如何在高頻操作中平衡效率與電磁干擾（EMI）？這些問題無不指向一個核心——半導體技術(shù)的創(chuàng)新。

德州儀器系統(tǒng)經(jīng)理游聲揚在發(fā)布會上指出：“GPU相對于CPU需要更大的功率、更大的功耗。對于半導體和電源設(shè)計來說，我們需要聚焦功率密度、效率，同時額外的保護和系統(tǒng)可靠性也是重點。”這一洞察精準概括了AI數(shù)據(jù)中心電源管理的核心訴求。TI的TPS1685和LMG3650正是為此量身打造，通過集成化設(shè)計和先進材料技術(shù)，為數(shù)據(jù)中心提供高效、可靠的解決方案。

TPS1685：集成化重塑電源保護

TPS1685是一款專為48V服務器電源設(shè)計的集成式熱插拔電子保險絲，針對AI數(shù)據(jù)中心的高功率密度和動態(tài)負載需求進行了深度優(yōu)化。與傳統(tǒng)分立式熱插拔控制器相比，TPS1685通過高度集成化設(shè)計，將元件數(shù)量削減50%，采用緊湊的30平方毫米QFN（四方扁平無引腳）封裝，顯著降低PCB占用面積。這種小型化設(shè)計不僅提升了功率密度，還為服務器機架釋放更多空間，滿足高密度計算的需求。

TPS1685的核心優(yōu)勢在于其精準的電流管理和快速的故障響應能力。器件內(nèi)置電流傳感器，通過IMON引腳實現(xiàn)并聯(lián)器件間的動態(tài)電流平衡，有效避免因阻抗不匹配導致的電流失衡。即使在多器件并聯(lián)的高電流場景（如5kW及以上），也能確保每個電子保險絲的負載均衡，提升系統(tǒng)整體穩(wěn)定性。游聲揚在發(fā)布會上強調(diào)：“TPS1685的集成式設(shè)計可以減少設(shè)計上所需要的時間，更有效地確保不同晶體管之間的電流做到均衡?！边@一特性在GPU負載劇烈波動的AI應用中尤為關(guān)鍵。

智能診斷與動態(tài)保護

AI數(shù)據(jù)中心的電源系統(tǒng)常常面臨瞬時過載的挑戰(zhàn)，例如GPU在高算力任務下的動態(tài)電流 spikes。TPS1685通過過流消隱計時器（overcurrent blanking timer）有效避免誤觸發(fā)，確保系統(tǒng)在短時過流情況下無需中斷運行。此外，器件集成了“黑匣子”功能，可記錄過流、過壓、過溫等故障事件的數(shù)據(jù)，供工程師分析問題根因。這種智能診斷能力不僅提升了系統(tǒng)可靠性，還縮短了故障排查時間。

在安全性方面，TPS1685通過主動RDS（導通電阻）調(diào)節(jié)機制優(yōu)化并聯(lián)晶體管的電流分配，并針對晶體管的安全工作區(qū)（SOA）進行了精細設(shè)計，確保器件在高負載下的長期穩(wěn)定運行。支持6kW及以上功率等級的并聯(lián)擴展能力，進一步使其成為高功率服務器電源的理想選擇。

應用場景與評估支持

TPS1685的目標應用包括云端服務器、AI訓練集群和電信電源系統(tǒng)。TI推出了兩款評估模塊（EVM）：一款支持54V/40A的雙并聯(lián)方案，另一款為5kW三并聯(lián)方案。與傳統(tǒng)分立式設(shè)計相比，TPS1685將評估板尺寸從380平方厘米縮減至更緊湊的布局，功率密度提升顯著。

LMG3650：集成GaN的效率革命

在數(shù)據(jù)中心電源系統(tǒng)中，AC/DC整流和DC/DC轉(zhuǎn)換階段的效率直接影響整體能耗。傳統(tǒng)硅基MOSFET受限于開關(guān)損耗和高頻操作能力，難以滿足現(xiàn)代高功率密度需求。氮化鎵（GaN）憑借低開關(guān)損耗和快速開關(guān)特性，成為電源設(shè)計的新寵。TI推出的LMG3650是一款650V GaN FET，采用TOLL（Thin Outline Leadless）封裝，提供25mΩ、35mΩ和70mΩ三種導通電阻選項，覆蓋1.8kW至12kW的功率等級，廣泛適用于無橋PFC（功率因數(shù)校正）整流器和隔離式DC/DC轉(zhuǎn)換器。

LMG3650的最大亮點在于其高度集成化設(shè)計。器件內(nèi)置驅(qū)動器，顯著降低驅(qū)動環(huán)路電感，支持MHz級高頻操作。游聲揚指出：“我們把驅(qū)動器集成在氮化鎵里面，就可以容許更高頻的操作，從而充分發(fā)揮氮化鎵低開關(guān)損耗的優(yōu)勢。”這一設(shè)計不僅縮小了磁性元件的尺寸，還提升了電源系統(tǒng)的整體效率，特別適合LLC串聯(lián)諧振等軟開關(guān)拓撲。

靈活的EMI優(yōu)化與多功率選擇

氮化鎵的高速開關(guān)（最高可達150V/ns）在提升效率的同時，可能引入EMI干擾。LMG3650通過可調(diào)驅(qū)動強度和壓擺率功能，允許工程師根據(jù)PCB布局優(yōu)化開關(guān)速度。例如，在EMI敏感場景下，可將壓擺率降至50V/ns以下，兼容現(xiàn)有碳化硅設(shè)計，降低開發(fā)成本。這種靈活性對于通信電源和高頻整流器尤為重要。

LMG3650提供三種導通電阻版本，滿足不同應用需求。25mΩ版本適合高功率場景，優(yōu)化傳導損耗；70mΩ版本因較低的COSS（輸出電容）而更適合高頻設(shè)計，減少開關(guān)損耗。TOLL封裝的標準化設(shè)計進一步提升了供應鏈靈活性，便于多源采購，同時保持優(yōu)異的散熱性能，適合高功率密度應用。

保護機制與熱管理

在高負載長時間運行的AI數(shù)據(jù)中心場景中，過壓、過流及過熱保護至關(guān)重要。LMG3650集成了過流和過溫保護機制，通過專用引腳輸出溫度相關(guān)的PWM信號，配合MCU實現(xiàn)精準熱管理。當器件接近過溫閾值時，可自動關(guān)斷，確保安全運行。這種智能保護機制在高功率等級（如8kW至12kW）的無橋PFC整流器和LLC轉(zhuǎn)換器中尤為關(guān)鍵。

應用場景與評估支持

LMG3650的目標應用包括服務器電源的AC/DC整流（如1.8kW至12kW無橋PFC）和隔離式DC/DC轉(zhuǎn)換（400V/450V至48V）。TI提供了三種EVM評估模塊，支持不同功率等級的測試驗證。

深度解析：TPS1685與LMG3650協(xié)同賦能48V架構(gòu)

AI數(shù)據(jù)中心的電源架構(gòu)正從12V向48V快速轉(zhuǎn)型。12V系統(tǒng)在高功率場景下因大電流導致的銅損問題顯著，而48V母線通過降低電流有效減少損耗，同時支持更高功率密度。然而，48V架構(gòu)對保護機制和轉(zhuǎn)換效率提出了更高要求。例如，GPU的動態(tài)負載可能引發(fā)瞬時過流，傳統(tǒng)保護器件響應速度不足；而高頻轉(zhuǎn)換器則需平衡效率與EMI干擾。

TPS1685和LMG3650通過協(xié)同工作，完美應對這些挑戰(zhàn)：

·前端保護（TPS1685）：在48V母線前端，TPS1685作為熱插拔電子保險絲，提供精準的電流管理和快速故障響應。其3.65mΩ的低導通電阻確保低功耗運行，同時支持多器件并聯(lián)，覆蓋6kW及以上功率等級。過流消隱計時器和黑匣子功能進一步提升了動態(tài)負載下的可靠性。

·后端轉(zhuǎn)換（LMG3650）：在AC/DC整流和DC/DC轉(zhuǎn)換階段，LMG3650的高頻操作能力顯著降低磁性元件尺寸，優(yōu)化功率密度。其低COSS特性在LLC諧振拓撲中減少環(huán)流損耗，提升效率?？烧{(diào)壓擺率設(shè)計則有效控制EMI干擾，確保高頻運行的穩(wěn)定性。

多級轉(zhuǎn)換架構(gòu)的支持

以服務器電源供應器（PSU）為例，典型多級轉(zhuǎn)換架構(gòu)包括：AC至400V/450V DC的無橋PFC整流、400V/450V至48V的隔離式DC/DC轉(zhuǎn)換。LMG3650在無橋PFC階段支持1.8kW至12kW的多相交錯設(shè)計，提升效率；在DC/DC階段，其高頻特性配合LLC拓撲可將開關(guān)頻率從傳統(tǒng)100kHz提升至更高水平，縮小變壓器尺寸。TPS1685則在48V母線端提供保護，確保從前端到后端的無縫集成。

EMI與PCB布局的優(yōu)化

氮化鎵的高DVDT（電壓變化率）可能引發(fā)EMI干擾，尤其在高頻大功率場景下。LMG3650通過集成驅(qū)動器降低環(huán)路電感，同時提供壓擺率調(diào)節(jié)功能，允許工程師優(yōu)化開關(guān)速度。例如，在實際測試中，當PCB布局較差時，將壓擺率從100V/ns降至50V/ns可顯著降低近場干擾。TI建議在高功率器件附近采用四層PCB設(shè)計，將敏感信號置于中間層，上下層作為屏蔽，進一步減少干擾。

TPS1685的集成化設(shè)計同樣簡化了PCB布局。其小型QFN封裝和內(nèi)置電流傳感器減少了布線復雜度，避免了分立式方案中常見的阻抗匹配問題。這兩款器件的協(xié)同優(yōu)化，使工程師能夠在高密度服務器設(shè)計中實現(xiàn)更高效的布局。

TPS1685和LMG3650的發(fā)布，不僅是TI產(chǎn)品線的一次重要擴展，更是對AI數(shù)據(jù)中心電源管理范式的深刻重塑：

·功率密度的飛躍：TPS1685通過集成化設(shè)計將保護電路尺寸減半，LMG3650的高頻操作縮小磁性元件體積，二者共同推動服務器機架功率密度提升，為高算力AI集群提供更大空間。

·效率與可靠性的雙贏：LMG3650在無橋PFC和LLC拓撲中的高效率表現(xiàn)，結(jié)合TPS1685的精準保護，顯著降低數(shù)據(jù)中心能耗，同時確保長期運行的穩(wěn)定性。

·設(shè)計簡化的賦能：兩款器件的高度集成化降低了開發(fā)復雜度和成本。TPS1685的并聯(lián)擴展能力和LMG3650的多功率選項，為工程師提供了靈活的設(shè)計選擇，加速產(chǎn)品上市進程。

·未來兼容性：針對48V母線架構(gòu)的優(yōu)化設(shè)計，使這兩款產(chǎn)品能夠無縫集成到現(xiàn)有和未來的數(shù)據(jù)中心電源系統(tǒng)中，為行業(yè)向更高電壓、更高效的方向演進奠定基礎(chǔ)。

德州儀器通過TPS1685和LMG3650的發(fā)布，展現(xiàn)了其在電源管理領(lǐng)域的深厚技術(shù)實力和前瞻視野。這兩款產(chǎn)品以集成化設(shè)計和優(yōu)異性能，完美應對AI數(shù)據(jù)中心對高功率密度、高效率和可靠保護的迫切需求。從48V母線的精準保護到高頻轉(zhuǎn)換的效率突破，TI正在為數(shù)據(jù)中心電源系統(tǒng)的未來樹立新標桿。