作者：Kenton Williston

投稿人：DigiKey 北美編輯

人工智能 (AI) 和機器學習 (ML) 的興起提出了前所未有的電力需求。下一代數據中心在電源管理、效率和可靠性方面面臨著巨大挑戰。傳統的電源解決方案往往難以在單個組件和整體數據中心基礎設施管理 (DCIM) 層面滿足這些需求。先進的電源組件和集成監控解決方案提供了全面的方法，能夠應對這些挑戰。

例如，混合電容器技術可提供穩定的電力傳輸；超低等效串聯電阻 (ESR) 解決方案可提高大電流功率轉換的效率；高精度電阻器可實現精確的電力監控；無線集成可實現全面的電源管理。

本文將探討這些要素如何有助于為人工智能驅動型數據中心構建強大的電源管理系統。然后，介紹 [Panasonic]在所有四個領域的解決方案，并演示其在現代數據中心環境中的應用。

利用混合電容器技術為數據中心實現高效的電力輸送

現代數據中心需要大量的電源轉換，通常需要從電網獲得數百千伏交流電 (kVAC)。這種電壓首先被降至數十千伏電流電 (kVAC)，然后再配送到整個數據中心園區。然后，轉換為數百伏交流電 (VAC)，再配送至設備機架。

在機架一級，交流電被轉換為直流電，通常轉換為 12 VDC，以滿足 IT 設備的要求。最后，在每臺設備內部，電壓被進一步調節到較低水平，通常在 1.1 V 至 5 V 之間，以便為處理器和內存模塊等單個組件供電。

該供電鏈條中的每一步都會產生損耗，嚴重影響數據中心的整體效率。數據中心電源設計人員越來越多地采用氮化鎵 (GaN) 等寬帶隙 (WBG) 半導體，盡量減少隨后轉換級的損耗。與傳統硅 (Si) 器件相比，WBG 器件憑借更高的開關頻率、更低的傳導損耗實現了更高的效率。

然而，這些轉換器中使用的電容器技術給設計帶來了巨大挑戰。電源系統設計人員歷來采用兩種成熟的電容器技術：傳統的鋁電解電容器和聚合物電容器，前者的特點是漏電流低，后者則具有出色的 ESR 特性。Panasonic 的 [EEH 系列]混合型鋁電解電容器（圖 1）提供了第三種選擇，這種電容器結合了兩者的優點，最大限度地減小了漏電流和 ESR 造成的損耗。

圖 1：EEH 系列混合型鋁電解電容器將漏電流和 ESR 導致的損耗降至最低。（圖片來源：Panasonic）

混合電容器的其他優勢包括：通過開路故障模式提高可靠性，以及在遠高于傳統設計的頻率下仍保持額定電容。傳統電容器在數十個千赫茲 (kHz) 的頻率下開始失去效能，而混合電容器在接近 1 兆赫茲 (MHz) 時仍能保持性能。如此之高的工作頻率使得使用外形更小的電容器成為現實，從而使設計人員能夠設計出更緊湊的轉換器，或為其他功能騰出電路板空間。

[EEH-ZA1V151P]就是一款典型的混合電容器。這款 150 微法 (μF) 35 V 器件的 ESR 低至 27 mΩ，工作溫度范圍為 -55°C 至約 +105°C，使用壽命長達 10,000 小時（+105°C 時）。[STMicroelectronics]的 [EVLMG1-250WLLC]DC/DC 轉換器評估板（圖 2）展示了這款器件在數據中心應用中的適用性。這種 GaN 電路板的功率密度達到每立方英寸 20 瓦 (W/in.3)，且效率高于 92%。

圖 2：EVLMG1-250WLLC GaN DC/DC 轉換器評估板展示了混合電容器的潛力。（圖片來源：STMicroelectronics）

用于高密度、高效率電力傳輸的低 ESR 電容器的優勢

數據中心采用高功率密度 DC/DC 轉換器已成為趨勢，但隨之而來的是獨特的熱管理挑戰。功率密度增大、元件面積縮小會顯著升高工作溫度。

盡量減小電容器的 ESR 可以部分地解決這類熱挑戰。由于功率損耗遵循 I2R 關系，因此降低電阻會直接減少功率損耗，從而減少發熱。因此，低 ESR 對于在緊湊型設計中保持安全工作溫度至關重要。

然而，即使是最高效的電容器，也會因工作環境而經受較高的工作溫度。因此，對于元器件密集的數據中心來說，選擇一款能承受高熱的電容器至關重要。圖 3 所示為選型圖表，其中考慮了工作溫度等因素。

圖 3：所示為基于紋波電流、電容、尺寸和工作溫度的混合電容器選型指南。（圖片來源：Panasonic）

雖然 GaN 技術帶來的高開關頻率有助于實現更小的封裝，但電容器技術必須保持足夠的電容來處理高紋波電流。[EEH-ZL 系列]混合電容器的電容選擇范圍為 47 μF 到 680 μF，并能在 100 kHz 頻率下處理高達 2.3 A 的電流，因此能夠應對這些挑戰。這些器件還能確保在 +135°C 溫度條件下工作，其 ESR 低至 14 mΩ。

例如，[EEH-ZL1E681P]680 μF 電容器的 ESR 為 14 mΩ，封裝直徑為 10.0 mm。

使用高精度電阻器精確地監控電源

數據中心應用中的 DC/DC 轉換器需要高度精確的功率控制反饋。這一點在基于 GaN 的設計中尤為重要，因為在這類設計中，即使占空比反饋出現微小誤差，也會導致危險的過壓或過流情況。

雖然目前有各種電流檢測技術，但對于服務器、存儲基礎設施和電源等空間有限的環境來說，并聯電阻器尤其具有吸引力。然而，現代設計的高功率密度給電阻式電流檢測技術帶來了巨大挑戰。

主要挑戰是熱穩定性。隨著工作溫度的變化，電阻值會出現顯著偏移，從而可能影響測量精度。因此，熱阻系數 (TCR) 成為一項關鍵指標。必須盡可能地降低熱阻系數，以便在數據中心運行的寬溫度范圍內保持測量精度。

Panasonic 的 [ERA-8P 系列]電阻器（圖 4）憑借多項創新功能克服了這些挑戰：

• 通過精密薄膜加工實現了每開爾文 (K) ±15 × 10^-6^ 的超低 TCR
• 電阻器下方有一層可降低應力的軟樹脂層，可最大限度地減少熱循環過程中焊料形成的裂紋
• 光滑的氧化鋁基板表面可確保電阻膜厚度均勻
• 細長而彎曲的電阻模式可分散集中的電流負載，實現了業界領先的抗靜電放電 (ESD) 性能

圖 4：ERA-8P 系列電阻器具有高熱穩定性。(圖片來源： Panasonic ）

[ERA-8PEB1004V] 展示了這些功能，其規格適合監控數據中心電源：

• 元器件的限制電壓高，達到 1 MΩ 時 500 V，可用于監控高壓電源軌
• 額定功率 0.25 W，可確保將功率損耗降至最低
• 工作溫度范圍：-55°C 至 +155°C
• 出色的抗靜電放電 (ESD) 能力，可在高功率環境下可靠運行

利用 Wi-Fi 監控能效

隨著人工智能工作負載推動更多服務器、存儲系統和電源裝置的部署，DCIM 面臨著日益增長的復雜性。雖然監控這些系統的功耗對優化效率至關重要，但傳統的有線監控解決方案會加劇成本、復雜性和線纜管理方面的挑戰，而隨著設施規模的擴大，這些挑戰只會變得更加復雜。

無線監控為應對這些挑戰提供了一種簡單的解決方案。這種方法通過電壓、電流和溫度測量實現了實時電源管理，而且無需額外布線。這種方法更靈活，無需重新配置物理連接即可擴大或縮小業務規模。

然而，用于數據中心應用的無線模塊必須滿足幾項嚴格的要求：

• 在障礙物和潛在干擾源眾多的環境中保持連接可靠
• 最大限度地降低功耗，保持總效率提高
• 外形小巧，可與現有設備集成
• 安全功能強大，能保護敏感的數據中心信息

Panasonic 的 [ENW-49A01A3EF] PAN9320 Wi-Fi 模塊（圖 5）功能集全面，能應對這些挑戰：

• 2.4 GHz 工作頻率可穿透數據中心的障礙物；同時支持 802.11b/g/n 標準，可確保廣泛的兼容性。
• 在 802.11b 模式下，最低發射 (Tx) 功耗為 430 mA，接收 (Rx) 功耗為 160 mA，從而保持了高能效。
• 29.0 mm × 13.5 mm × 2.66 mm 的緊湊型表面貼裝設計可簡化集成。
• TLS/SSL、HTTPS 和 WPA2 等內置安全功能可保護敏感信息。

通過這些功能，數據中心運行商可全面地監電力，并最大限度地減少通常與此類系統相關的物理和運營開銷。

圖 5：ENW-49A01A3EF 為有高效 DCIM 提供了全面的 2.4 GHz Wi-Fi 解決方案。（圖片來源：Panasonic）

結語

在人工智能工作負載方面的需求，需要重新考慮電力基礎設施——從單個組件的選擇到整個設施的監控系統。Panasonic 的混合電容器、超低 ESR 技術、精密電阻器和無線連接性產品組合為數據中心運營商提供了構建并維護高效、可擴展電源系統所需的工具，以支持下一代人工智能應用。

審核編輯 黃宇