纳芯微丨高密度AI服务器电源：HVDC隔离、SiC/GaN驱动、高带宽采样与400MHz实时控制

　　文章导读

　　高密度服务器电源设计：高压、高频、高功率密度和多相控制，带来哪些新的芯片设计要求;

　　隔离+：800V高压架构下的耐压、CMTI、传输延时与集成设计;

　　驱动：SiC/GaN高频开关对驱动电流、抗扰能力和延时匹配的要求;

　　采样：高密度电源中的带宽、量程、精度与小型化设计;

　　实时控制：多相电源对MCU运算性能、PWM和ADC资源的要求。

　　五大落地路径

　　电源设计应对高密度设计需求

　　AI服务器功率和功率密度不断提升，对电源的通流能力、转换效率和散热带来更大挑战，设计主要从以下五个方向进行优化：

　　大功率回路硬件扩容

　　一方面选用大规格功率半导体器件，或采用多器件并联提升回路通流能力;另一方面采用多相交错电源架构，通过多个功率子模块协同工作，针对重载、轻载等不同工况优化电源转换效率，是当前大功率PSU的主流设计思路。

　　系统架构高压化(HVDC高压直流)

　　800V高压母线方案大范围普及，通过提升系统额定电压降低回路传输电流，减少线缆、铜排的传导损耗，同时缩减母线铜材占用空间，从系统层面提升整机功率密度。

　　开关电源高频化

　　利用SiC、GaN等宽禁带功率器件的高频特性，提高电源开关频率，缩小变压器、电感、电容等无源器件体积，是提升电源功率密度的重要技术路径。

　　软开关拓扑+开关速率优化

　　通过提高开关速度或采用软开关技术降低功率器件的开通和关断损耗，并通过降低损耗减小散热器尺寸，进一步节省PCB板卡空间。

　　液冷散热+高密度PCB布局

　　采用浸没式、冷板式液冷等方案提升散热能力;同时结合元器件小型化和高密度PCB布局，提高机箱内部空间利用率。

　　以上五项优化主要集中在功率主回路，高压、高频和高密度设计也会影响控制回路，对隔离、驱动、采样和实时控制芯片的性能与集成度提出更高要求。

　　四类芯片设计挑战

　　高压、高密度带来更高性能要求

　　隔离类IC

　　高压安规、抗扰能力与集成化设计要求

　　高压化是AI电源的重要趋势，隔离芯片作为高低压电气隔离的关键界面，承担系统安规防护作用，在800V及更高电压系统中，主要面临四方面技术要求：

　　满足安规隔离耐压要求，保障系统用电安全;

　　高频开关带来节点电位快速跳变，芯片需要较高的CMTI共模瞬态抗扰度，降低高压瞬态干扰造成通信失效、系统误动作的风险;

　　随着开关频率提升，控制环路响应加快，隔离芯片需要更低的信号传输延时，保障主控与功率侧信号同步;

　　800V系统对器件爬电距离和封装提出更高要求，分立器件方案会占用更多PCB面积，多功能集成化隔离芯片有助于降低板级空间占用。

　　针对上述需求，纳芯微采用第三代电容隔离架构，并结合Adaptive OOK自主调制技术。相关产品可支持1500Vrms、2121VDC工作条件，设计使用寿命超30年;典型CMTI共模瞬态抗扰度>150kV/μs，实验室测试可达200kV/μs以上;最高通信速率150Mbps，信号传输延时可控制在15ns以内，满足高速控制链路需求。

　　基于自研隔离技术，纳芯微形成了丰富的隔离产品矩阵，覆盖数字隔离器、隔离采样、隔离接口、隔离电源、隔离栅极驱动等产品，并推出二合一、三合一等集成化产品，如隔离电源+隔离接口二合一芯片、隔离电源+隔离驱动+隔离采样三合一芯片，可通过单颗器件集成多项功能，减少外围器件数量和电路复杂度。

　　纳芯微隔离产品覆盖不同隔离等级和爬电距离需求，基于在光储1500V高压应用中的技术积累，相关产品可适配800V HVDC数据中心高压母线，并面向更高电压等级的应用需求进行产品布局。爬电距离规格覆盖2mm、8mm、15mm等，其中2mm器件适用于低压小型电源的功能绝缘需求，8mm、15mm器件可满足高压系统的加强绝缘需求，适配不同功率等级PSU的选型。

　　驱动类IC

　　大电流、高抗扰、集成负压，适配新一代功率器件

　　随着SiC、GaN等宽禁带功率器件的应用，隔离驱动芯片面临三方面更高要求：

　　大功率器件通常具有更大的结电容，同时电源开关速度不断提升，驱动芯片需要在更短时间内完成功率器件结电容的充放电，因此需要更强的拉灌电流能力;

　　驱动异常可能导致功率器件失效，因此对驱动IC的CMTI共模瞬态抗扰能力提出更高要求;

　　高开关频率下死区时间缩短，对驱动通道的延时一致性提出更高要求，同时也推动驱动芯片向更高集成度发展。

　　纳芯微针对数据中心高密度电源的驱动产品主要包括高性能隔离驱动和GaN专用驱动两类，可适配不同功率器件的驱动需求：

　　高性能隔离驱动：产品按输入类型分为光耦兼容电流输入、TTL/CMOS电压输入两大系列;功能覆盖UVLO欠压保护、米勒钳位、DESAT退饱和保护、软关断、故障报警等，部分型号进一步集成隔离ADC及功能安全相关电路。相关产品输出拉灌电流可达±10A，可适配800V架构下大功率SiC器件的驱动需求。

　　GaN专用隔离驱动芯片：GaN器件导通阈值较低、开关速度快，对误导通抑制提出更高要求。传统方案通常通过外部分立电路实现负压关断，占用一定板级空间。纳芯微GaN驱动芯片集成负压生成电路，可直接实现负压关断，减少外围辅助供电器件和PCB面积占用;产品覆盖高压GaN、低压GaN及不同输出电流规格，为不同应用提供相应选型。

　　纳芯微驱动方案覆盖AI服务器电源前级SST、整流模块、BBU/CBU储能单元、二次/三次侧DCX变换器、板载千瓦级IBC电源及多相交错Buck电源等环节，并支持单向高压GaN、单向低压GaN、双向GaN及不同规格SiC器件。

　　采样与信号处理IC

　　多方案分层落地适配AI服务器电源采样需求

　　AI服务器电源控制环路速度提高、电磁环境更加复杂，对采样器件的带宽、CMTI共模瞬态抗扰能力和量程提出了更高要求。电流采样常见方案包括集成霍尔、采样电阻+隔离运放、开环电流传感器和CT电流互感器等，不同方案在体积、精度、带宽及磁滞等方面各有特点，需要根据具体应用选择。

　　功率密度优先的设计中，集成霍尔电流传感器通过集成基准、OCP过流保护等功能，减少外围调理电路;对采样精度要求更高的场景，则采用采样电阻+隔离运放架构。纳芯微产品覆盖这两类技术路线。

　　以霍尔电流传感器为例，纳芯微针对不同电压、电流等级布局了多款产品：

　　800V高压AIDC应用：耐压1550V、50A量程、8mm爬电距离、2MHz带宽;

　　54V/12V低压电源：4×4mm小型封装、100A量程;

　　大功率SST等高电流应用：200A以上大量程线性霍尔产品

　　实时控制专用MCU

　　高主频、多通道，满足电源实时控制需求

　　电源实时控制MCU是数字控制与功率硬件之间的重要桥梁。多相交错拓扑带来多路PWM同步输出需求，叠加开关频率提升，对MCU的实时运算能力、采样通道数量及控制精度提出了更高要求。

　　纳芯微电力电子专用MCU覆盖200MHz～400MHz Cortex-M7单核/多核架构，针对电源应用优化运算性能、片上存储、PWM及工业通信接口等资源配置，适配不同功率等级的服务器电源：

　　7系列实时控制MCU：双400MHz Cortex-M7内核，搭载32路HRPWM、40路模拟采样通道，可用于大功率SST、HVDC AC-DC PSU等实时控制场景;

　　5系列实时控制MCU：240MHz单核Cortex-M7，配置16路PWM输出，可用于PSU、DC-DC电源等应用;

　　1系列实时控制MCU：200MHz单核Cortex-M7，适用于板载IBC、Buck等电源控制场景。

　　面向AI数据中心电源高压、高频、高功率密度的发展趋势，纳芯微已形成隔离、驱动、信号采样和实时控制MCU等核心产品组合。

　　以整机PSU为例，除上述四类产品外，还包括NTC温度传感器、高精度电压基准源、反激控制芯片、低压LDO、热插拔保护控制器等器件，满足温度监测、电压基准、辅助供电及系统保护等功能需求。

　　同时，纳芯微可结合客户具体的系统设计需求提供芯片选型与应用支持，根据整机尺寸、额定功率、母线电压、散热架构等参数，协助进行器件选型和方案优化，为AI服务器电源不同架构和功率等级提供相应的产品与技术支持。