在 AI 浪潮中供電給資料中心 HPC 系統的現代化元件

隨著雲端服務的拓展，資料中心的成長逐漸飆升，對人工智慧 (AI) 應用 (仰賴大型語言模型 (LLM)) 的需求也突然增多，這都需要更高的擴充性和大量的運算資源。因此需要新一代的高效能運算 (HPC) 系統，運用特製元件來因應更高的功率與熱管理需求。

這些資料中心需求推升增強型被動元件 (如功率電容、電阻和電感) 的需求，產品設計人員可以利用這些元件來開發更先進的 HPC 裝置，以滿足 AI 處理的要求。這些要求包括在較小的裝置中提高效率、效能、可靠性和熱管理，以便資料中心達到空間最佳化，並提升系統密度。

更優異的電感可提高 HPC 效率

YAGEO Group 旗下 KEMET 開發的金屬複合物電感，可提升 DC-DC 轉換器和切換式電源轉換器的效能。憑藉其為 OEM 廠商供應客製化磁性元件的悠久歷史，開發出標準化的 METCOM MPX 功率電感系列，對電流瞬變有更高的容差並具有更高的工作溫度，兼具緊湊設計和高效能。

METCOM 金屬複合物功率電感具有磁芯高飽和磁通密度，可促成比傳統鐵氧體電感更強的磁場。可在整個溫度和電流範圍內提供穩定的電感值。

磁芯由金屬粉末組成，帶有隔離塗層和黏合劑。MPX 系列的電感範圍介於 0.1 至 100 μH。

此電感採用圓形銅線，由燒結的磁性金屬複合物粉末 (圖 1) 包覆，能在溫度和電流範圍內達到穩定的電感值，因此適用於多種 DC-DC 穩壓器，例如資料中心伺服器的切換式電源供應器、功率電感、EMI 濾波電感和負載點穩壓器。

圖 1：METCOM MPX 功率電感使用圓銅線，由燒結的磁性金屬複合物粉末包覆。(圖片來源：KEMET)

金屬粉末可以生產具有更高能量密度和更強耐熱性的電感，可達到比鐵氧體磁芯電感更小的尺寸，還可在更高頻率下達到更低的磁芯損耗，並具有更優異的電磁干擾 (EMI) 抑制效能優勢。在這些優勢下，可提供更高的耐用性和可靠性，對資料中心的營運來說相當重要。

KEMET 的 MPX 系列具有 200 多個品項 (圖 2)，提供相當廣泛的選擇。可用尺寸包括 5 x 5 mm、6 x 6 mm、8 x 8 mm、10 x 10 mm、12 x 12 mm、17 x 17 mm 和 22 x 22 mm。

圖 2：METCOM MPX 外型尺寸。(圖片來源：KEMET)

以 MPX1D0630L3R3 為例，這一款 6 x 6 mm 元件的高度為 3.0 mm，可在不犧牲效能的情況下有效利用緊密封裝的 PCB 空間。此元件的額定工作溫度高達 +155°C，電感值為 3.30 μH ±20%，最大 DC 電阻值為 30.3 mΩ，適用於必須維持電源完整性、熱管理和效率的 HPC 環境。

若要求較不嚴格，或對電感值的彈性較大，MPX1D0530L220 採用 5 x 5 mm 尺寸，高度為 3.0 mm，電感值為 22.00 μH。因為有較高的最大 DC 電感值 (341.2 mΩ)，因此適用於較不會發生熱管理問題，或系統已經有內建額外散熱機制的情況。

HPC 用的功率磁珠電感選項

對於需要一般 EMI 抑制效能，卻沒有嚴格效能要求的 HPC 系統來說，YAGEO 旗下另一間公司 Pulse Electronics 也有提供功率磁珠電感，有針對高電流處理進行最佳化。專門設計用來搭配跨電感穩壓器 (TLVR) 拓撲使用。

鐵氧體磁芯功率磁珠電感是繞線式環形電感的替代品，通常用來供電給桌上型磁芯穩壓器 (VCORE)。功率磁珠電感器採用通孔技術 (THT) 製造，可提供更高的效率和更嚴格的公差，因此可在 VCORE 穩壓器中達到更小的尺寸。

功率磁珠電感可達到更小的電感值，而不是在多相降壓拓撲中將單繞組電感的漣波電流交錯開來，因此可讓設計在轉換器多快因應負載電流的變化 (暫態響應)，以及控制迴路的穩定性之間進行權衡。

Pulse Electronics 的元件通常用於大電流、多相穩壓器，可供電給伺服器、顯示卡、儲存裝置和資料中心的處理器、記憶體模組以及大電流 ASICS 和 FPGA。這些雙繞組 TLVR 電感的覆蓋區尺寸介於 4 x 4 mm 至 13 x 13 mm，電感值介於 20 nH 至 1 μH。

PAL6373.XXXHLT 系列零件的外形尺寸 (圖 3)，例如 PGL6380.101HLT 就採用 12 x 6 mm 覆蓋區，電感值介於 100 nH 至 200 nH，額定飽和電流從 59 A 至峰值 125 A，工作溫度介於 -40°C 至 +125°C。由鐵氧體磁芯組裝在 1T 或 2T 繞組上構成，具有極低的 DC 電阻值 (DCR)、高峰值電流和低 AC 損耗。提供單相、整合相位和耦合電感款式。

圖 3：Pulse Electronics 的 PAL6373.XXXHLT 系列功率磁珠電感外形尺寸。(圖片來源： Pulse Electronics)

針對 HPC 系統，要挑選功率磁珠電感或金屬複合物類型，取決於系統的具體要求，例如對高電感值穩定性、耐溫性和減噪的要求。KEMET 的電感可在高達 +180°C 的延伸溫度範圍內提供穩定的效能，其模製金屬結構有助於減少噪音，這對噪音敏感的 HPC 系統來說相當有利。

穩定、長壽命的電容

KEMET 的導電聚合物固態鋁電解電容也非常適合滿足 HPC 系統的嚴苛要求，可兼備關鍵的效能、效率和可靠性。

不同於使用導電液電解質的傳統「濕式」鋁電解電容，KEMET 的固態聚合物電容具有低等效串聯電阻 (ESR)，可在溫度、頻率和工作壽命範圍內保持穩定。

固態聚合物裝置可處理更高的漣波電流並具有更長的壽命，相較於濕式電容，其電解液可能會乾涸而失效，且固態聚合物裝置具有更強的抗振性，在設計上可達到更高的穩定性。可在高頻下有效維持電容值，因此對於快速切換的電源供應器來說是有吸引力的選擇。

KEMET 電容可在 HPC 系統中常見的高電流要求下有效運作，而不會造成明顯的功率損耗，而且因為兼具導電聚合物和電解質，比起標準電解液電容，可以因應更高的電壓。與替代品相比，聚合物固態鋁電解電容的電氣效能和強固性有所提升，可以大幅增進 HPC 系統的整體效率和可靠性。

KEMET 的 A768 系列表面黏著電容 (圖 4) 可在寬廣的溫度範圍內提供更長的壽命和更高的穩定性，電容值介於 18 μF 至 1,200 μF，電壓介於 4 V_DC 至 80 V_DC。例如，A768MS108M1CLAE015 屬於 16 V、1000 μF 款式，ESR 額定值為 15 mOhm，工作溫度介於 -55°C 至 +125°C。其焊墊尺寸為長 0.406" x 寬 0.406" (10.30 mm x10.30 mm)。

圖 4：KEMET 的 A768 系列表面黏著固態聚合物鋁電容。(圖片來源：KEMET)

這些電容的設計可在苛刻的熱條件下維持效能，更有提供可耐受高達 30 g 的款式，適合用於機械應力或運動可能會導致不穩定性的 HPC 環境。

薄膜晶片電阻

HPC 設計的另一個重要元件就是晶片電阻，與輔助功率逆變器和電容相輔相成，可避免過大電流，並可確保系統的整體穩定性和效率。2023 年，YAGEO Group 推出 NT 系列氮化鉭薄膜晶片電阻，可在苛刻的環境中維持一致的高效能。

NT 系列的自鈍化設計可形成防水層，為電阻層提供屏蔽，以免濕氣滲透。此裝置的外殼尺寸介於 0402 至 1206，電阻值介於 100 Ω 至 481 kΩ。

NT 電阻具有 -55°C 至 +155°C 的寬廣工作溫度範圍，有助於達到穩定的配電和高效的能量傳輸。提供 ±25、±50 ppm/°C 的低電阻溫度係數 (TCR)，額定功率為 1/20 W 至 2/5 W。

結論

雲端運算和 AI 的需求推升對特定屬性電子元件的需求，以便在嚴苛條件下提供高可靠性。設計人員可以利用專用的功率電感、電阻和電容來滿足 HPC 系統不斷變化的要求，例如 YAGEO Group 及其旗下 KEMET 和 Pulse Electronics 提供的產品組合。