目前，越來越多的應(yīng)用系統(tǒng)對電源系統(tǒng)的功率密度及轉(zhuǎn)換效率提出了更高的要求，在電源系統(tǒng)設(shè)計(jì)中，不僅功率密度是眾多要素之一，其他比如電源系統(tǒng)架構(gòu)、多種開關(guān)拓?fù)洹㈦娫茨K和基于分立器件設(shè)計(jì)的封裝技術(shù)，每一項(xiàng)都發(fā)揮重要的作用。此外，效率也是其中的一個(gè)要素，如配電網(wǎng)絡(luò)(pDN)設(shè)計(jì)、達(dá)到負(fù)載點(diǎn)電壓轉(zhuǎn)換步驟的數(shù)量，以及轉(zhuǎn)換器拓?fù)渑c磁性材料設(shè)計(jì)。對于眾多工程師而言，提高功率密度與效率需要在電源系統(tǒng)設(shè)計(jì)中進(jìn)行權(quán)衡。

破解損耗的難題Vicor全球市場營銷副總裁philDavies表示，近年來電源系統(tǒng)的一個(gè)巨大變化是：由于性能及功能要求的提高，負(fù)載功率需求也在不斷攀升。工程師現(xiàn)在更頻繁地發(fā)現(xiàn)，與其配電網(wǎng)絡(luò)設(shè)計(jì)相關(guān)的損耗日趨嚴(yán)重，因而他們不得不轉(zhuǎn)而采用更高的電壓來降低I2R損耗，由此增加了電壓轉(zhuǎn)換器的壓力，因?yàn)槠浔仨氃诟蠓秶鷥?nèi)工作。“例如，400V至48V或48V至1V，而非傳統(tǒng)的12V配電。這些更高的pDN電壓現(xiàn)在用于數(shù)據(jù)中心、汽車及工業(yè)系統(tǒng)。”phil說，“如果采用傳統(tǒng)轉(zhuǎn)換器拓?fù)鋵?8V轉(zhuǎn)換為1V，通常意味著損失效率，因?yàn)閭鹘y(tǒng)的方式是典型兩級轉(zhuǎn)換，即從48V到12V、然后再從12V到負(fù)載點(diǎn)。工程師必須在使用兩個(gè)轉(zhuǎn)換器（帶來的密度挑戰(zhàn)）還是采用改進(jìn)的pDN（提高效率）兩者之間進(jìn)行權(quán)衡。”圖：philDavies,Vicor全球市場營銷副總裁

Vicor為這些高難度設(shè)計(jì)挑戰(zhàn)提供了領(lǐng)先的模塊化電源解決方案。“我們擁有獨(dú)特的電源系統(tǒng)架構(gòu)、拓?fù)鋵＠约胺庋b實(shí)力，并始終致力于為不斷提高密度和效率而創(chuàng)新。”phil說，“我們的解決方案消除了對密度和效率兩者的權(quán)衡與折衷。”

Vicor通過其分比式電源架構(gòu)、ZVS/ZCS（零電壓、零電流開關(guān)）拓?fù)浜驼艺穹D(zhuǎn)換器拓?fù)浼夹g(shù)，為業(yè)界提供了最高的密度和效率。通過將高壓直接轉(zhuǎn)換成中間母線電壓或負(fù)載點(diǎn)電壓，Vicor的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)還消除了高成本的轉(zhuǎn)換步驟。此外，該公司擁有專利的Chip封裝技術(shù)可實(shí)現(xiàn)高密度，而其集成型的磁性器件則可簡化設(shè)計(jì)。“我們的產(chǎn)品不斷最大限度地提高這些技術(shù)的優(yōu)勢，幫助我們?yōu)楣こ處熖峁┙鉀Q方案，解決他們最艱巨的電源設(shè)計(jì)難題。”phil說，“我們提供模塊化解決方案，而不是一包零散部件，因此可簡化電源系統(tǒng)設(shè)計(jì)任務(wù)。”也正是因?yàn)閂icor有自己的高頻率、獨(dú)特的拓?fù)鋵＠O(shè)計(jì)，因此他們可以繼續(xù)使用標(biāo)準(zhǔn)硅FET，其優(yōu)勢仍遠(yuǎn)高于GaN和SiC這類高帶隙電源器件——這類器件是依賴低頻率pWM開關(guān)拓?fù)涞碾娫垂镜倪x擇。

新的變化和挑戰(zhàn)眼下，數(shù)據(jù)中心、新能源汽車包括5G基站等新興應(yīng)用為電源系統(tǒng)設(shè)計(jì)帶來了新的變化和挑戰(zhàn)。比如在極高功率系統(tǒng)中采用48VpDN，甚至380VpDN，現(xiàn)已變得越來越普及。phil表示，在數(shù)據(jù)中心領(lǐng)域，由于高性能計(jì)算和人工智能的出現(xiàn)，推動許多云數(shù)據(jù)中心的機(jī)架電源從傳統(tǒng)10KW增長至20KW以上。在高性能計(jì)算數(shù)據(jù)中心，背板上的電源現(xiàn)在是兩個(gè)48V服務(wù)器設(shè)計(jì)外加380VDC配電。

電源系統(tǒng)工程師現(xiàn)在面臨幾項(xiàng)挑戰(zhàn)。phil表示，以AI處理器電路板的電源設(shè)計(jì)為例，處理器電流的急劇上升始于2017年，客戶希望為其AIGpU和ASIC提供500A、1V以下的嚴(yán)格穩(wěn)壓解決方案。這帶來了一項(xiàng)非常艱巨的挑戰(zhàn)：傳統(tǒng)多相降壓陣列密度不夠，無法盡可能靠近處理器放置，也就是說穩(wěn)壓器和處理器之間會有大約200μΩ至400μΩ的pDN電阻。在500A和400μΩ的pDN電阻的情況下，電路板上會有100W的功耗。這就意味著，假設(shè)處理器功耗為400W，系統(tǒng)效率會因pDN的原因降至75%。由于pDN電阻和電流都很高，因此12V多相解決方案無法滿足性能需求。而隨著處理器電流需求持續(xù)提升至1000至1500A峰值，需要全新的方法來顯著降低pDN電阻以及相關(guān)電路板功率及效率損耗。

Vicor提供了一種方法——通過在封裝產(chǎn)品上提供橫向及縱向分比式電源，解決了這一極為艱巨的復(fù)雜難題。橫向解決方案可將pDN電阻降至50μΩ，而縱向解決方案則可將其降至5μΩ。這樣，在縱向供電情況下，一項(xiàng)1000A的GpU或ASIC電源設(shè)計(jì)在電阻為50μΩ時(shí)，會消耗5W的pDN電源。這一方法使得Vicor在AI處理器電源市場處于領(lǐng)先地位。除了AI處理器，目前在電動或弱混汽車中也有許多需要轉(zhuǎn)換的電壓。“我們經(jīng)常聽客戶說，他們在尋找1000V、800V、400V以及48V的極高功率轉(zhuǎn)換器。”phil說，“Vicor產(chǎn)品的密度、效率和重量優(yōu)勢引起了他們的高度關(guān)注。從上市時(shí)間和設(shè)計(jì)簡化的角度來看，我們的模塊化解決方案也被視為一項(xiàng)重大優(yōu)勢。

控制設(shè)計(jì)成本在影響電源系統(tǒng)設(shè)計(jì)應(yīng)用的諸多因素中，成本是“影響決策”最關(guān)鍵的一環(huán)。phil認(rèn)為，電源系統(tǒng)設(shè)計(jì)成本有許多不同的方面，可在開發(fā)期間針對上市時(shí)間、市場份額及系統(tǒng)質(zhì)量進(jìn)行判斷。開發(fā)時(shí)間過長可能會導(dǎo)致成本增加：資源被當(dāng)前項(xiàng)目占用會造成錯(cuò)失商機(jī)的成本，而競爭對手搶先占領(lǐng)市場則會降低市場份額。一旦系統(tǒng)投入市場，性能和質(zhì)量都非常重要，因?yàn)榇罅康某杀径寂c因質(zhì)量差而退貨、現(xiàn)場服務(wù)和客戶流失有關(guān)。舉例來說，如果因?yàn)殡娫聪到y(tǒng)的低效率而導(dǎo)致系統(tǒng)效率低下，則設(shè)備可能會發(fā)熱，使用壽命會非常有限。系統(tǒng)也會因使用龐大的散熱管理系統(tǒng)來散熱而變得非常笨重。“許多客戶只會關(guān)注材料清單和設(shè)備成本。這是目光短淺的，根本沒有考慮我提到的許多關(guān)鍵問題。”phil說，“在開發(fā)和生產(chǎn)過程中以及整個(gè)生命周期，都必須考慮總體系統(tǒng)成本，以及可以實(shí)現(xiàn)的市場份額。這對于高性能產(chǎn)品來說非常重要。Vicor非常清楚每個(gè)模塊單位電流或單位功耗的成本必須符合其所在市場的實(shí)際狀況，而且由于Vicor產(chǎn)品的高密度，我們能夠?qū)崿F(xiàn)極具競爭力的模塊成本。”phil表示，用戶是否選用Vicor的產(chǎn)品和他們的需求密切相關(guān)：如果用戶在空間和性能方面沒有特別要求，可使用普通電源解決方案或每次都希望構(gòu)建其自己的分立式電源系統(tǒng)，那Vicor就不適合他們。“我們提供的模塊化解決方案不僅性能高、密度高，而且簡單易用。”phil說，“我們堅(jiān)信，幫助客戶以更高的系統(tǒng)性能為其解決方案實(shí)現(xiàn)差異化，這將為他們提供一項(xiàng)極具競爭力的優(yōu)勢。”

新興市場前景廣闊目前，48V服務(wù)器、AIGpU和ASIC這類電源市場需求增長很快，Vicor在前者市場占有很大份額，在后者新興市場占據(jù)主導(dǎo)地位。此外。弱混汽車開始采用48V配電系統(tǒng)，純電動輕型車及汽車市場也存在巨大的商機(jī)，因此Vicor開始進(jìn)入汽車市場，而自動駕駛汽車的興起，進(jìn)一步推動了Vicor的解決方案在深度學(xué)習(xí)應(yīng)用數(shù)據(jù)中心市場以及推斷計(jì)算汽車市場的需求。在5G系統(tǒng)方面，Vicor已經(jīng)開始與幾家通信公司合作——通信設(shè)備不僅有極大電流網(wǎng)絡(luò)ASIC，而且正在向7nm和5nm節(jié)點(diǎn)發(fā)展，這就意味著核心電壓會更低，有些會低至0.4V。除了新興市場，通用工業(yè)市場的電源系統(tǒng)正在從基本定制分立器件設(shè)計(jì)向模塊化解決方案轉(zhuǎn)變，越來越多的用戶需要高密度和高性能。“今年晚些時(shí)候，Vicor將進(jìn)入AC-DC市場，為單相和三相AC系統(tǒng)提供極高密度的模塊化前端解決方案，這將為我們在許多市場和應(yīng)用帶來令人振奮的全新機(jī)遇。”phil說，“我們的負(fù)載點(diǎn)效率不斷提升。以每平方毫米安培為單位進(jìn)行電流密度測量，目前Vicor的密度是最接近的競爭對手的3倍！就前端而言，以每立方英寸瓦特為單位進(jìn)行測量，Vicor某些產(chǎn)品的功率密度是最接近的競爭對手的10倍！我們正在和全球各大公司合作，逐年擴(kuò)大客戶群。我堅(jiān)信，Vicor的未來無限美好！”