如何為 AI 資料中心提供有效的電源管理

人工智慧 (AI) 和機器學習 (ML) 的興起帶動前所未有的電力需求。新一代的資料中心在電源管理、效率和可靠性方面皆面臨重大難題。傳統的電源解決方案通常難以在個別元件和整體資料中心基礎架構管理 (DCIM) 的層級上符合這些需求。進階的電源元件和整合式監測解決方案可針對這些難題提供全方位的作法。

例如，混合式電容技術可提供穩定的電力傳輸；超低等效串聯電阻 (ESR) 解決方案可在大電流電源轉換中提升效率；高準確度電阻可促成精準的電源監測；無線整合提供全面的電源管理。

本文將探討這些元素如何協助 AI 驅動型資料中心建構完備的電源管理系統。接著會介紹 Panasonic 在全部四個領域所推出的解決方案，並展示其在現代化資料中心環境中的應用。

利用混合式電容技術達到高效的資料中心電力傳輸

現代化資料中心需要大量的電源轉換。往往要從電網取得數百 kVAC 的電力。此電壓首先會降壓至數十 kVAC，以便在資料中心園區內進行配電。接著會進一步轉換成數百 VAC，以分配到設備機架。

在機架層級，AC 電力會轉換成 DC 電力，通常為 12 VDC，以符合 IT 設備的要求。最後，在每部設備中，電壓會進一步調節到更低位準，通常介於 1.1 至 5 V 之間，以便供電給個別元件，如處理器和記憶體模組等。

此供電鏈中的每個步驟都會出現損耗，因此會顯著衝擊資料中心的整體效率。資料中心的電源設計人員逐漸採用氮化鎵 (GaN) 等寬能隙 (WBG) 半導體，以便將後期轉換階段的損耗降至最低。與傳統矽 (Si) 裝置相比，WBG 裝置可透過更高的切換頻率和更低的導通損耗來達到優異的效率。

然而，這些轉換器使用的電容技術本身就是重大的設計挑戰。傳統上，電源系統設計人員有兩套經過實證的電容技術可以運用：低漏電流的傳統鋁電解電容，以及 ESR 特性優異的聚合物電容。Panasonic 的 EEH 系列混合式鋁電解電容 (圖 1) 帶來第三種選擇，結合了上述兩者的優點，可將漏電流和 ESR 引起的損耗降至最低。

圖 1：EEH 系列混合式鋁電解電容可將漏電流和 ESR 引起的損耗降至最低。(圖片來源：Panasonic)

混合式電容還有其他優點，包括透過開路故障模式提高可靠性，以及可在比傳統設計高出許多的頻率下保維持額定電容值。傳統電容在幾十 kHz 的頻率下會開始失去效力，但混合式電容在接近 1 MHz 的頻率下仍可維持效能。更高的工作頻率就可使用更小的電容，以便設計人員打造更緊湊的轉換器，或釋放電路板空間以添加其他功能。

EEH-ZA1V151P 就是個典型的混合式電容範例。這款 150 μF、35 V 裝置可維持 27 mΩ 的低 ESR，工作溫度介於 -55°C 至大約 +105°C，使用壽命為 10,000 小時 (+105°C 下)。STMicroelectronics 的 EVLMG1-250WLLC DC/DC 轉換器評估板就可展現出對資料中心應用的適用性 (圖 2)。此 GaN 板的功率密度可達到 20 W/in³，效率比 92% 更優異。

圖 2：EVLMG1-250WLLC GaN DC/DC 轉換器評估板可展現混合式電容的潛力。(圖片來源：STMicroelectronics)

低 ESR 電容的優勢可達到高密度、高效率的電力傳輸

資料中心採用高功率密度 DC/DC 轉換器的趨勢也帶來獨特的熱管理難題。功率密度的增加以及元件面積的縮減，都會大幅提高工作溫度。

將電容的 ESR 大幅降低，可以解決一部分的散熱難題。由於功率損耗會遵循 I²R 關係，因此電阻值的降低會直接減少功率損耗，進而減少熱量的產生。因此，對緊湊設計而言，低 ESR 是維持安全工作溫度的關鍵。

然而，基於環境因素，即使是最高效率的電容也會遭遇高工作溫度。因此，挑選能夠承受密集式資料中心熱量的電容相當重要。圖 3 顯示的挑選表就將工作溫度等因素納入考量。

圖 3：在此顯示的選購指南是依據漣波電流、電容值、尺寸和工作溫度所篩選的混合式電容。(圖片來源：Panasonic)

雖然 GaN 技術可達到高切換頻率以促成更小的封裝，但電容技術必須維持足夠的電容值，以處理高漣波電流。EEH-ZL 系列混合式電容具有 47 μF 至 680 μF 的電容值選項，可在 100 kHz 下處理高達 2.3 A，因此能因應相關難題。此外更可保證在 +135°C 下運作，且 ESR 可降至 14 mΩ。

EEH-ZL1E681P 680 μF 電容就是一個例子，其 ESR 為 14 mΩ，封裝直徑為 10.0 mm。

使用高精度電阻達到精確的功率監測

資料中心應用中的 DC/DC 轉換器需要高準確度的回授以達到功率控制。這對於 GaN 架構設計來說尤其重要，因為在工作週期回授中即便有細微誤差，都會導致危險的過壓或過電流情況。

雖然市面上有多種電流感測技術，但對伺服器、儲存基礎架構與電源供應器等空間受限的環境來說，分流電阻仍具吸引力。然而，現代化設計的高功率密度會對電阻式電流感測帶來重大挑戰。

主要挑戰在於熱穩定性。電阻值會隨著工作溫度的變化而顯著漂移，可能有損測量準確度。也因此，電阻溫度係數 (TCR) 成為關鍵的規格之一。必須盡可能降低，以便在資料中心操作的寬溫範圍內保持測量精準度。

Panasonic 的 ERA-8P 系列電阻 (圖 4) 可透過多項創新功能克服這些挑戰：

• 可透過精密薄膜加工達到 ±15 ×^10-6 K 的超低 TCR
• 電阻下方有消減應力的軟樹脂層，可在熱循環過程中盡可能降低焊錫裂紋的形成
• 具有光滑的氧化鋁基板表面，可確保均勻的電阻膜厚度
• 電阻值波紋呈現長而細的蛇形，可分散電流負載集中度，提供業界領先的靜電放電 (ESD) 電阻值

圖 4：ERA-8P 系列電阻專為達到高熱穩定性而設計。(圖片來源：Panasonic)

ERA-8PEB1004V 透過適合資料中心電源監測的規格展現以下能力：

• 1 MΩ 時 500 V 的高限制元件電壓，可用於監測高壓電源軌
• 0.25 W 額定功率，可確保最小的功率損耗
• -55°C 至 +155°C 的寬廣工作溫度範圍
• 優異的抗靜電放電 (ESD) 能力，可在高功率環境中達到可靠運作

使用 Wi-Fi 監測電源效率

隨著 AI 工作負載帶動更多伺服器、儲存系統和電源單元的部署，DCIM 也面臨越來越複雜的問題。雖然監測這些系統的功耗是達到最佳化效率的關鍵，但傳統的有線監測解決方案會有成本增加、複雜性和纜線管理的難題，且會隨著設施的規模變大而加劇。

無線監測能針對這些難題提供優質的解決方案。可透過電壓、電流和溫度的測量達到即時電源管理，且無需額外佈線的開銷。此作法提供更大的靈活性，無論營運規模擴大或縮小，皆無需重新配置實體連接。

然而，資料中心應用的無線模組必須符合幾個嚴格的要求：

• 在具有眾多障礙物和潛在干擾源的環境中要保持可靠的連接
• 盡可能降低功耗，以維持整體效率優勢
• 可裝入緊湊的外形尺寸中，以便與現有設備整合
• 提供強大的安全功能，以保護敏感的資料中心資訊

Panasonic 的 ENW-49A01A3EF PAN9320 Wi-Fi 模組 (圖 5) 透過全方位的功能組合因應相關難題：

• 2.4 GHz 操作可提供優異的穿透力，可穿透資料中心的障礙，同時透過 802.11b/g/n 標準的支援提供廣泛的相容性。
• 在 802.11b 模式下，最小發射 (Tx) 功耗為 430 mA，接收 (Rx) 功耗為 160 mA，因此可維持優異的電源效率。
• 緊湊的 29.0 mm × 13.5 mm × 2.66 mm 表面黏著設計可簡化整合作業。
• 內建安全功能，如 TLS/SSL、HTTPS 和 WPA2 等，可保護敏感資訊。

這些能力能讓資料中心營運商實施全方位的電源監測，同時將這類系統相關的典型實體與營運開銷降至最低。

圖 5：ENW-49A01A3EF 提供全面的 2.4 GHz Wi-Fi 解決方案<可達到有效的 DCIM。(圖片來源：Panasonic)

結論

在 AI 工作負載的需求下，要對電力基礎架構重新思考，包括從個別元件的挑選到設施層面的監測系統。Panasonic 的混合式電容、超低 ESR 技術、精密電阻和無線連接產品組合，可針對資料中心營運商提供其所需的工具，以便打造和維護高效、可擴充的電源系統，以支援新一代的 AI 應用。