纳芯微丨AI服务器机架供电架构解析:PSU、BBU 与 CBU 的设计逻辑及关键芯片方案

发布时间:2026-03-30 09:53
作者:AMEYA360
来源:纳芯微
阅读量:2154

  随着人工智能算力需求的持续增长,数据中心服务器功率密度快速提升,驱动供电架构向更高功率等级与更高可靠性演进。在这一过程中,PSU、BBU 与 CBU 逐步形成协同供电体系,对电源系统的效率、稳定性与系统集成能力提出更高要求。

  围绕服务器供电架构的演进,本文重点解析 PSU 及 BBU、CBU 备电系统的设计逻辑与关键芯片需求。纳芯微基于供电与备电全链路,提供覆盖电流检测、电压采样、驱动控制、通信隔离及电源管理等环节的系统级芯片解决方案,支撑高功率服务器电源系统在效率与可靠性方面实现综合优化。

纳芯微丨AI服务器机架供电架构解析:PSU、BBU 与 CBU 的设计逻辑及关键芯片方案

  1.PSU迈向高压与高功率密度核心供电单元

  在数据中心供电体系中,服务器电源模块(PSU)负责将交流电转换为稳定直流电源。近年来,随着AI服务器功率需求的提升,PSU功率等级也持续升级:从早期3kW、5.5kW级服务器电源模块,逐步发展到面向AI与云计算时代数据与算力中心的8kW、12kW、18kW级别,并进一步提升至面向下一代AI服务器的单体30+kW级PSU。高功率密度电源正在成为新一代数据中心基础设施的重要组成部分。

  随着功率等级的持续提升,大功率PSU输入形式也由传统单相交流变为了三相交流输入,输出电压也从传统的12V升上至48V(54V)或更高的HVDC电压(±400V或800V),以降低电流并改善系统热设计条件。

  从系统结构来看,服务器PSU通常由功率因数校正(PFC)级和隔离DC/DC变换级构成。输入交流电首先在PFC级完成整流与功率因数校正,并建立稳定的高压直流母线(DC Link);随后通过LLC谐振变换级实现高效率隔离变换,输出稳定的12V、48V(54V)或HVDC电压,为服务器负载供电。

纳芯微丨AI服务器机架供电架构解析:PSU、BBU 与 CBU 的设计逻辑及关键芯片方案

  随着功率密度要求的不断提升,PSU中的功率器件技术路线也在持续升级。宽禁带器件能够显著降低开关损耗,并支持更高开关频率,从而提升系统效率与功率密度。因此,PFC级逐步由传统Si MOSFET向SiC MOSFET演进,而LLC则开始越来越多地采用SiC或GaN器件。

  在此类高功率电源系统中,除了功率器件本身,电流检测、电压采样以及栅极驱动等模拟与隔离器件同样是系统稳定运行的重要基础。

  电流检测模块需要实时监测输入电流、谐振电流以及输出电流,以支持系统闭环控制与保护功能;电压检测模块用于实现母线电压与输出电压的精确采样;而隔离栅极驱动器则负责驱动Si、SiC或GaN功率器件,实现高速开关控制。

  在 PSU中,输入侧、谐振侧、输出侧与备电支路对电流检测的带宽、隔离等要求不同,因此可根据具体节点选择分流器+检测放大器、隔离放大器、霍尔电流传感器等不同实现方式。

  在电流检测方面,纳芯微提供包括NSM201x、NSM211x、NSM204x系列霍尔电流传感器,以及 NSCSA21x、NSCSA24x系列电流检测放大器在内的多种方案,可满足高带宽与高精度电流监测需求,为电源控制环路提供稳定的反馈信号。

  在高 dv/dt 开关环境下,隔离栅极驱动与隔离采样链路的 CMTI、延迟等特性将直接影响系统效率与稳定性。纳芯微提供多款隔离栅极驱动器,其中NSI6601、NSI6601M、NSI6601xE、NSI6801E系列单通道驱动器以及NSI6602V系列半桥驱动器,均可在高 dv/dt 环境下保持稳定驱动能力,适用于SiC与GaN功率器件的高速开关控制。

  此外,在系统电压检测与反馈控制环节,纳芯微提供NSI1400、NSI1300、NSI1200C、NSI1312、NSI1311、NSI1611及NSI36xx系列隔离放大器,以及NSOPA9xxx、NSOPA8xxx、NSOPA610x系列运算放大器,可实现高精度电压采样,为系统控制器提供稳定的反馈信号。通过在电流检测、电压采样及驱动控制等关键节点进行协同设计,可进一步提升服务器 PSU 系统的整体效率与可靠性。

  随着AI服务器功率持续提升,高功率、高效率服务器PSU将成为数据中心电源系统的重要发展方向。围绕功率器件驱动、隔离采样以及精密信号链等关键环节,高性能模拟与隔离芯片也将在下一代数据中心电源架构中发挥越来越重要的作用。


  2.BBU与CBU构建多层级备电体系的关键支撑

  BBU通常由锂电池组和DC/DC电源模块组成。当市电或主电源出现中断时,BBU可在短时间内为服务器系统提供持续供电,通常可维持数分钟,以保障关键数据完成写入,并支持系统安全关机。机架级BBU的输出能力通常需要与对应机架PSU的供电等级相匹配。

  在系统拓扑上,BBU中的DC/DC模块多采用非隔离双向变换结构,以实现电池充放电过程中的双向能量流动。常见实现方式包括多相Buck-Boost结构或四开关Buck-Boost拓扑,并由MCU或数字控制器实现电池管理与能量调度。

纳芯微丨AI服务器机架供电架构解析:PSU、BBU 与 CBU 的设计逻辑及关键芯片方案

  在实际数据中心系统中,BBU与CBU承担的角色有所不同。BBU主要用于应对电源中断场景,提供分钟级持续供电;CBU更偏“毫秒到秒级”的瞬态功率波动的吸收或补偿。

  CBU通常采用超级电容作为储能介质。相比电池,超级电容具有更高功率密度、更快充放电速度以及更长循环寿命,更适合用于短时间功率补偿。

  当服务器负载发生快速变化时,CBU可以在极短时间内释放或吸收能量,从而稳定系统母线电压。在部分应用场景中,CBU也可在短时间掉电情况下提供瞬态能量支撑,保障关键系统状态平稳过渡。

  在系统架构上,CBU同样通过双向DC/DC模块实现超级电容与系统母线之间的能量交换,其拓扑结构通常与BBU类似,多采用Buck-Boost架构,并通过控制器进行动态调节。

  在BBU与CBU系统中,需要对电池或超级电容的电流、电压以及系统运行状态进行实时监测,同时通过驱动电路控制功率器件实现能量转换。因此,电流检测、电压采样以及通信隔离等功能模块是系统稳定运行的重要基础。

  针对上述需求,纳芯微提供多类关键器件解决方案。例如,NSM201x、NSM211x、NSM2311、NSM204x系列霍尔电流传感器,以及NSCSA21x、NSCSA24x系列电流检测放大器可用于电池充放电电流检测;NS800RT1137、NS800RT3025系列MCU可承担系统主控功能,并结合NSI822x、NSI823x、NSI824x、NIRS21、NIRS31系列数字隔离器及NSI1042、NSI1050 隔离 CAN 接口,实现系统通信与隔离控制。

  在辅助电源(AUX power)部分,纳芯微提供覆盖反激与 Buck 拓扑的电源管理芯片,包括 NSR28C4x、NSR284x、NSR2240x、NSR2260x 系列反激电源芯片及即将发布的NSV2801/2系列,以及NSR1143x、NSR1103x系列 Buck 转换器,为控制、驱动、采样及通信模块提供稳定供电支撑,提升服务器供电系统的整体可靠性。

  随着AI服务器功率规模不断提升,备电系统在数据中心供电架构中的作用也愈发关键,通过合理的系统设计与关键芯片协同应用,可以有效提升服务器备电系统的稳定性与安全性。

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2026-09-15 11:06 阅读量:309
充分释放GaN潜能:纳芯微GaN驱动芯片破解高功率密度应用难题
  随着AI算力爆发以及人形机器人产业的快速演进,电源系统向着更高功率、更高效率、更小体积的方向快速迭代。氮化镓 (GaN) 作为宽禁带代表性器件,凭借开关速度快、损耗低、面积小等先天优势,已经成为超高功率密度系统不可或缺的核心拼图。但GaN是一把双刃剑,其优越性能落地到实际硬件设计时会遇到诸多工程挑战,如何通过驱动IC的技术创新,把GaN的理论性能充分释放,已经成为行业关注的焦点。  本文将从GaN应用与市场洞察、GaN关键应用痛点与驱动IC技术演进、纳芯微宽禁带半导体驱动及系统级解决方案三个维度展开,剖析GaN规模化落地背后的技术逻辑。  GaN市场迎来跃迁:  从消费电子走向高端高功率场景  GaN器件早已不再局限于消费类快充等传统场景,AI数据中心与人形机器人关节正在成为GaN两大里程碑式核心战场,同时新能源汽车OBC、激光雷达、户用光储储能、伺服驱动、D类功放等领域,也在加速导入GaN方案,充分挖掘器件在效率与功率密度等方面的价值。  数据中心供电:  功率密度激增,GaN的核心战场  AI大模型算力需求爆发直接带动GPU单板功耗持续攀升。从A100单卡400W、算力312TFlops,迭代到Rubin平台单卡约2300W、算力4PFlops,算力提升12倍的同时功耗提升6倍,算力与功耗同步高速增长。  行业已经全面进入Rack‑Scale机架级算力时代,计算单元由单张GPU显卡升级为整机柜。短短数年内,单机柜功率由60kW一路走高至600kW,未来规划将迈向1MW机柜,然而机柜物理体积并没有同步放大,对供电链路的功率、效率、集成度提出前所未有的严苛要求。  以数据中心PSU电源单元为例,当前54V架构主流 PSU功率密度为18‑33kW/U;下一代HVDC高压直流PSU将达到50‑100kW/U;后续机架式DC‑DC转换环节功率密度可达90‑120kW/U;更进一步,高压上板的板载DC‑DC模块,功率密度目标突破 2000W/in³。这一系列极具挑战的指标,也直接推动 GaN在数据中心供应链迎来爆发式的用量增长。  机器人关节:  下一个高功率密度主战场  人形与四足机器人属于电池供电移动式设备,自由度高、关节数量众多。每一处关节模组同时承受高峰值功率、毫秒级电流响应、长期间歇/连续运行、严苛的体积、重量与散热等多重约束。机器人关节功率覆盖10W‑4000W每轴,要在极小的结构空间里面实现全部性能,GaN凭借高频小型化的能力,成为机器人伺服驱动极具竞争力的技术路线,目前行业头部客户已经开启规模化方案验证与导入。  综合两大场景可以看到,消费电子应用会优先权衡成本因素;而在AI算力、机器人、车载OBC、光储等高端工业场景,系统更看重GaN带来的高效率、高功率密度收益,GaN的产业重心已经发生明显迁移。  GaN工程落地痛点:  驱动IC如何破解器件固有难题  GaN材料拥有优异的理论性能,但器件本身的电气特性带来诸多设计难点。超高功率密度系统追求高频高速运行,需要在有限PCB空间内部署全部器件并稳定工作,这就对GaN驱动芯片提出多重硬性要求:高抗共模干扰、极低传输延时、封装极致小型化;同时还要直面增强型GaN导通阈值低易误导通、需要安全关断、第三象限反向导通引发自举过压这三大固有痛点。  针对上述工程挑战,纳芯微打造了完整的GaN专用驱动产品矩阵,通过高CMTI抗扰设计、超短传输延时、多规格小型化封装,搭配独立开通关断驱动通道、芯片内集成负压、米勒钳位、智能有源自举控制、内置LDO稳压等系列核心技术,从芯片硬件层面一一对应化解各类应用风险,帮助开发者充分释放GaN器件的理论性能,降低整机系统的设计调试门槛。  痛点一:  高频高速工况,对驱动抗扰、延时、  封装提出极限要求  GaN开关速度极快,节点电压可在纳秒级别大幅跳变,电磁环境恶劣,驱动芯片必须具备很高的共模瞬态抗扰能力;同时全链路传输延时需要做到足够低,匹配器件高速开关特性。纳芯微GaN驱动系列产品可实现100V/ns以上的CMTI抗扰能力,最小传输延时低至2.6ns。  极致小型化不只是针对GaN功率器件、磁性元器件,而是电源全链路器件共同的诉求。驱动芯片作为核心配套,封装尺寸也必须同步压缩。纳芯微提供最小1.2×0.8mm WLCSP超小封装NSD2017,此外还覆盖2×2mm、3×3mm、5×7mm多种封装规格,覆盖从激光雷达高频小体积,到大功率工业电源的多元布板需求。  痛点二:  导通阈值低,易发生误导通风险  主流E‑mode增强型GaN导通阈值仅1V左右,很小的栅极电压扰动就会引发器件误开启,带来系统损坏风险。  传统驱动方案采用二极管构建开通、关断共用回路。二极管导通会产生约0.7V压降,器件关断状态下栅极电压被抬高至0.7V,距离1.1V阈值十分接近,电路任何微小扰动,都可能造成GaN误导通。  纳芯微GaN驱动芯片内部集成独立开通/关断双驱动通道,硬件层面舍弃关断二极管,从根源降低误导通风险,该技术已是纳芯微GaN驱动产品的标配。  为进一步保障650V高压GaN器件可靠关断,行业普遍采用负压关断方案。目前分立搭建负压电路主要分为三类:  双绕组变压器方案:正负绕组分别输出正压、负压,性能好,但绕组数量多,成本高;  单绕组搭配稳压管方案:绕组数量减少,成本折中,但正负电压互相牵制;  自举搭配分立器件方案:成本最低,但需要持续发波建立负压,对半桥占空比存在限制,工况适配范围受限。  三类分立方案各有短板,很难同时兼顾负压稳定性、PCB面积、硬件成本。纳芯微推出NSD2622N高压半桥GaN驱动,芯片内部集成负压生成电路,无需外部复杂分立负压网络,一站式实现稳定负压输出、精简外围器件、控制整体BOM成本。  针对双向GaN开关应用,驱动调试难度更高,纳芯微推出GaN驱动NSD2622NB,为双向开关场景提供集成负压、通道可灵活配置的专用驱动方案,大幅简化双向拓扑硬件设计。  痛点三:  第三象限反向导通,  带来自举上管VGS过压隐患  GaN在半桥拓扑第三象限反向导通时,SW节点电压可低至‑2V。该负压会给自举电容充电,造成上管栅源电压VGS被充到7V附近,对GaN的稳定运行带来高风险。  行业传统分立解决思路存在明显短板:一是上管栅极并联齐纳稳压管做钳位,会带来额外损耗、温升,占用PCB面积;二是在GaN DS两端并联肖特基二极管,试图拉低反向负压,却会增加寄生参数,牺牲功率密度,违背选用GaN器件的初衷。  理想的解决思路是在GaN反向导通阶段,直接切断自举充电通路,阻断负压向上管栅极传递。该逻辑对时序、逻辑控制精度要求极高,分立器件很难落地,却是集成电路的优势所在。  纳芯微NSD2123半桥GaN驱动内置Smart Bootstrap Charge智能自举有源开关,在器件进入第三象限导通瞬间精准断开自举链路,规避VGS过压风险,且集成米勒钳位功能,有效避免误导通,在外围电路极度精简下实现了安全自举与可靠关断。除此之外,半桥GaN驱动NSD2012N与NSD2622N在芯片内集成LDO稳压,不依赖外部自举供电,同样可以一站式解决负压关断与自举过压两大难题,排除寄生电容影响,提升开关速度。  纳芯微提供完整产品矩阵,  赋能超高功率密度系统开发  针对不同应用场景,纳芯微形成完整GaN驱动产品矩阵,客户可以按需选型:  NSD2017:WLCSP 1.2×0.8mm超小封装,2.6ns超低延时,适配激光雷达等高频、极致小型化应用;  NSD2123:110V半桥驱动,集成米勒钳位与Smart Bootstrap智能自举有源开关,面向数据中心IBC、机器人关节等中低压场景;  NSD2012N:单管GaN驱动,集成LDO+负压关断,QFN 3×3mm小封装;  NSD2622N:700V高压半桥驱动,集成LDO与负压关断,面向650V高压大功率电源、双向开关拓扑;  NSD2621:700V半桥驱动,芯片内集成LDO稳压。  同时需要注意的是,GaN带来的系统升级,挑战不只来源于功率器件本身,也不局限于栅极驱动芯片。整套系统链路都需要同步迭代:采样链路需要更高带宽、更强抗干扰;MCU需要更高算力与更快响应速度;通信接口抗干扰能力需要升级;面向HVDC高压架构,系统隔离性能也需要同步匹配。  作为全品类数模混合信号芯片提供商,除了GaN驱动以外,纳芯微还提供带死区控制、保护功能、采样功能的隔离智能栅极驱动,同时配套隔离器件、信号链、电源管理、MCU等多类芯片,覆盖从驱动、采样、控制到通信的全链路需求,帮助客户完成超高功率密度系统的整体设计落地。
2026-09-11 10:37 阅读量:321
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