在人工智能（AI）、云計(jì)算和5G技術(shù)迅猛發(fā)展的推動(dòng)下，現(xiàn)代數(shù)據(jù)中心正迎來(lái)前所未有的變革。服務(wù)器機(jī)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(hù)成為行業(yè)核心挑戰(zhàn)。德州儀器（Texas Instruments, TI）以其在半導(dǎo)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(guò)高度集成化設(shè)計(jì)、優(yōu)化的性能和靈活的應(yīng)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(jì)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(diǎn)、應(yīng)用場(chǎng)景及對(duì)數(shù)據(jù)中心電源架構(gòu)的深遠(yuǎn)影響。

AI潮起，數(shù)據(jù)中心電源管理迎來(lái)時(shí)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(xùn)練到實(shí)時(shí)云端推理，GPU和TPU等高性能計(jì)算單元的廣泛應(yīng)用使得服務(wù)器電源需求呈指數(shù)級(jí)增長(zhǎng)。以往以CPU為主的12V電源架構(gòu)因高電流帶來(lái)的銅損問(wèn)題已難以滿足現(xiàn)代需求，而48V母線通過(guò)降低電流顯著提升效率，成為行業(yè)新標(biāo)準(zhǔn)。然而，48V架構(gòu)的普及帶來(lái)了新的挑戰(zhàn)：如何在更高電壓下實(shí)現(xiàn)精準(zhǔn)的保護(hù)機(jī)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(wèn)題無(wú)不指向一個(gè)核心——半導(dǎo)體技術(shù)的創(chuàng)新。

德州儀器系統(tǒng)經(jīng)理游聲揚(yáng)在發(fā)布會(huì)上指出：“GPU相對(duì)于CPU需要更大的功率、更大的功耗。對(duì)于半導(dǎo)體和電源設(shè)計(jì)來(lái)說(shuō)，我們需要聚焦功率密度、效率，同時(shí)額外的保護(hù)和系統(tǒng)可靠性也是重點(diǎn)?！边@一洞察精準(zhǔn)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(guò)集成化設(shè)計(jì)和先進(jìn)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(hù)

TPS1685是一款專(zhuān)為48V服務(wù)器電源設(shè)計(jì)的集成式熱插拔電子保險(xiǎn)絲，針對(duì)AI數(shù)據(jù)中心的高功率密度和動(dòng)態(tài)負(fù)載需求進(jìn)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(guò)高度集成化設(shè)計(jì)，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(wú)引腳）封裝，顯著降低PCB占用面積。這種小型化設(shè)計(jì)不僅提升了功率密度，還為服務(wù)器機(jī)架釋放更多空間，滿足高密度計(jì)算的需求。

TPS1685的核心優(yōu)勢(shì)在于其精準(zhǔn)的電流管理和快速的故障響應(yīng)能力。器件內(nèi)置電流傳感器，通過(guò)IMON引腳實(shí)現(xiàn)并聯(lián)器件間的動(dòng)態(tài)電流平衡，有效避免因阻抗不匹配導(dǎo)致的電流失衡。即使在多器件并聯(lián)的高電流場(chǎng)景（如5kW及以上），也能確保每個(gè)電子保險(xiǎn)絲的負(fù)載均衡，提升系統(tǒng)整體穩(wěn)定性。游聲揚(yáng)在發(fā)布會(huì)上強(qiáng)調(diào)：“TPS1685的集成式設(shè)計(jì)可以減少設(shè)計(jì)上所需要的時(shí)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(fù)載劇烈波動(dòng)的AI應(yīng)用中尤為關(guān)鍵。

智能診斷與動(dòng)態(tài)保護(hù)

AI數(shù)據(jù)中心的電源系統(tǒng)常常面臨瞬時(shí)過(guò)載的挑戰(zhàn)，例如GPU在高算力任務(wù)下的動(dòng)態(tài)電流 spikes。TPS1685通過(guò)過(guò)流消隱計(jì)時(shí)器（overcurrent blanking timer）有效避免誤觸發(fā)，確保系統(tǒng)在短時(shí)過(guò)流情況下無(wú)需中斷運(yùn)行。此外，器件集成了“黑匣子”功能，可記錄過(guò)流、過(guò)壓、過(guò)溫等故障事件的數(shù)據(jù)，供工程師分析問(wèn)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(shí)間。

在安全性方面，TPS1685通過(guò)主動(dòng)RDS（導(dǎo)通電阻）調(diào)節(jié)機(jī)制優(yōu)化并聯(lián)晶體管的電流分配，并針對(duì)晶體管的安全工作區(qū)（SOA）進(jìn)行了精細(xì)設(shè)計(jì)，確保器件在高負(fù)載下的長(zhǎng)期穩(wěn)定運(yùn)行。支持6kW及以上功率等級(jí)的并聯(lián)擴(kuò)展能力，進(jìn)一步使其成為高功率服務(wù)器電源的理想選擇。

應(yīng)用場(chǎng)景與評(píng)估支持

TPS1685的目標(biāo)應(yīng)用包括云端服務(wù)器、AI訓(xùn)練集群和電信電源系統(tǒng)。TI推出了兩款評(píng)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(jì)相比，TPS1685將評(píng)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(kāi)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(kāi)關(guān)損耗和快速開(kāi)關(guān)特性，成為電源設(shè)計(jì)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(dǎo)通電阻選項(xiàng)，覆蓋1.8kW至12kW的功率等級(jí)，廣泛適用于無(wú)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(diǎn)在于其高度集成化設(shè)計(jì)。器件內(nèi)置驅(qū)動(dòng)器，顯著降低驅(qū)動(dòng)環(huán)路電感，支持MHz級(jí)高頻操作。游聲揚(yáng)指出：“我們把驅(qū)動(dòng)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(kāi)關(guān)損耗的優(yōu)勢(shì)。”這一設(shè)計(jì)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(kāi)關(guān)拓?fù)洹?

靈活的EMI優(yōu)化與多功率選擇

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

LMG3650提供三種導(dǎo)通電阻版本，滿足不同應(yīng)用需求。25mΩ版本適合高功率場(chǎng)景，優(yōu)化傳導(dǎo)損耗；70mΩ版本因較低的COSS（輸出電容）而更適合高頻設(shè)計(jì)，減少開(kāi)關(guān)損耗。TOLL封裝的標(biāo)準(zhǔn)化設(shè)計(jì)進(jìn)一步提升了供應(yīng)鏈靈活性，便于多源采購(gòu)，同時(shí)保持優(yōu)異的散熱性能，適合高功率密度應(yīng)用。

保護(hù)機(jī)制與熱管理

在高負(fù)載長(zhǎng)時(shí)間運(yùn)行的AI數(shù)據(jù)中心場(chǎng)景中，過(guò)壓、過(guò)流及過(guò)熱保護(hù)至關(guān)重要。LMG3650集成了過(guò)流和過(guò)溫保護(hù)機(jī)制，通過(guò)專(zhuān)用引腳輸出溫度相關(guān)的PWM信號(hào)，配合MCU實(shí)現(xiàn)精準(zhǔn)熱管理。當(dāng)器件接近過(guò)溫閾值時(shí)，可自動(dòng)關(guān)斷，確保安全運(yùn)行。這種智能保護(hù)機(jī)制在高功率等級(jí)（如8kW至12kW）的無(wú)橋PFC整流器和LLC轉(zhuǎn)換器中尤為關(guān)鍵。

應(yīng)用場(chǎng)景與評(píng)估支持

LMG3650的目標(biāo)應(yīng)用包括服務(wù)器電源的AC/DC整流（如1.8kW至12kW無(wú)橋PFC）和隔離式DC/DC轉(zhuǎn)換（400V/450V至48V）。TI提供了三種EVM評(píng)估模塊，支持不同功率等級(jí)的測(cè)試驗(yàn)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(chǎng)景下因大電流導(dǎo)致的銅損問(wèn)題顯著，而48V母線通過(guò)降低電流有效減少損耗，同時(shí)支持更高功率密度。然而，48V架構(gòu)對(duì)保護(hù)機(jī)制和轉(zhuǎn)換效率提出了更高要求。例如，GPU的動(dòng)態(tài)負(fù)載可能引發(fā)瞬時(shí)過(guò)流，傳統(tǒng)保護(hù)器件響應(yīng)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(guò)協(xié)同工作，完美應(yīng)對(duì)這些挑戰(zhàn)：

·前端保護(hù)（TPS1685）：在48V母線前端，TPS1685作為熱插拔電子保險(xiǎn)絲，提供精準(zhǔn)的電流管理和快速故障響應(yīng)。其3.65mΩ的低導(dǎo)通電阻確保低功耗運(yùn)行，同時(shí)支持多器件并聯(lián)，覆蓋6kW及以上功率等級(jí)。過(guò)流消隱計(jì)時(shí)器和黑匣子功能進(jìn)一步提升了動(dòng)態(tài)負(fù)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?fù)渲袦p少環(huán)流損耗，提升效率?？烧{(diào)壓擺率設(shè)計(jì)則有效控制EMI干擾，確保高頻運(yùn)行的穩(wěn)定性。

多級(jí)轉(zhuǎn)換架構(gòu)的支持

以服務(wù)器電源供應(yīng)器（PSU）為例，典型多級(jí)轉(zhuǎn)換架構(gòu)包括：AC至400V/450V DC的無(wú)橋PFC整流、400V/450V至48V的隔離式DC/DC轉(zhuǎn)換。LMG3650在無(wú)橋PFC階段支持1.8kW至12kW的多相交錯(cuò)設(shè)計(jì)，提升效率；在DC/DC階段，其高頻特性配合LLC拓?fù)淇蓪㈤_(kāi)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(hù)，確保從前端到后端的無(wú)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(chǎng)景下。LMG3650通過(guò)集成驅(qū)動(dòng)器降低環(huán)路電感，同時(shí)提供壓擺率調(diào)節(jié)功能，允許工程師優(yōu)化開(kāi)關(guān)速度。例如，在實(shí)際測(cè)試中，當(dāng)PCB布局較差時(shí)，將壓擺率從100V/ns降至50V/ns可顯著降低近場(chǎng)干擾。TI建議在高功率器件附近采用四層PCB設(shè)計(jì)，將敏感信號(hào)置于中間層，上下層作為屏蔽，進(jìn)一步減少干擾。

TPS1685的集成化設(shè)計(jì)同樣簡(jiǎn)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(fù)雜度，避免了分立式方案中常見(jiàn)的阻抗匹配問(wèn)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(wù)器設(shè)計(jì)中實(shí)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(kuò)展，更是對(duì)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(guò)集成化設(shè)計(jì)將保護(hù)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(dòng)服務(wù)器機(jī)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(wú)橋PFC和LLC拓?fù)渲械母咝时憩F(xiàn)，結(jié)合TPS1685的精準(zhǔn)保護(hù)，顯著降低數(shù)據(jù)中心能耗，同時(shí)確保長(zhǎng)期運(yùn)行的穩(wěn)定性。

·設(shè)計(jì)簡(jiǎn)化的賦能：兩款器件的高度集成化降低了開(kāi)發(fā)復(fù)雜度和成本。TPS1685的并聯(lián)擴(kuò)展能力和LMG3650的多功率選項(xiàng)，為工程師提供了靈活的設(shè)計(jì)選擇，加速產(chǎn)品上市進(jìn)程。

·未來(lái)兼容性：針對(duì)48V母線架構(gòu)的優(yōu)化設(shè)計(jì)，使這兩款產(chǎn)品能夠無(wú)縫集成到現(xiàn)有和未來(lái)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(jìn)奠定基礎(chǔ)。

德州儀器通過(guò)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(shí)力和前瞻視野。這兩款產(chǎn)品以集成化設(shè)計(jì)和優(yōu)異性能，完美應(yīng)對(duì)AI數(shù)據(jù)中心對(duì)高功率密度、高效率和可靠保護(hù)的迫切需求。從48V母線的精準(zhǔn)保護(hù)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(lái)樹(shù)立新標(biāo)桿。