AI 資料中心用的 DC/DC 轉換器：克服空間與散熱的挑戰

生成式 AI 已將資料中心轉變成 AI 工廠，且效能直接取決於運算密度，因此也與您能在機架中裝入的電力密度有關。最先進的 GPU 正朝每台裝置超過 1 kW 發展。結果就是機架功率密度經常達到百萬瓦規模，會對傳統的配電、轉換和冷卻系統造成遠超乎其承受範圍的壓力。僅靠強制空氣冷卻應付不來，因此工作人員正加速採用液冷和混合式冷卻，否則低效率電力轉換帶來的熱負載，會讓冷卻成本倍增。換句話說，上游每提升一點點效率，就能帶來雙倍回報；一是節省電力，再者是減少不需要的瓦數。

業界對此的回應是決定將架構轉向高電壓直流電 (HVDC) 配電，以及多階 DC/DC 電源轉換。從 48 V 機架轉向 ±400 或 800 VDC，將可大幅減少銅材質量和 I²R 損耗。將 HVDC 轉換成 48 V，就可讓使用者運用既有的 48 V 匯流排架構，透過配電板和主機板降壓至 12 V，接著就可使用穩壓器供電給 AI 處理器所需的次電壓軌。

為何三階 DC/DC 轉換是 AI 工作負載的最佳選擇

從 HVDC 到中間匯流排轉換器 (IBC)，再到垂直電源或近裸晶穩壓的三步驟轉換，已成為超大規模和 AI 部署的既定藍圖 (圖1)：

1. HVDC 配電 (±400 或 800 VDC)
   • 可將匯流排中的電流降至最低，大幅減少銅材重量和導通損耗。還可讓設施準備迎接 >100 kW 的機架，以及路線圖上目前已經可見的 MW 級叢集。
2. 中間匯流排轉換 (48 V → 12V 或 13.2 V 或 6–7 V)
   • IBC 能為高效點負載調節奠定基礎。選擇 4:1 (約 12 V) 或 8:1 (約 6 V) 需在策略上有所權衡：在相同 kW 下，4:1 可讓本機匯流排的電流比 8:1 減少一半，進而在多相 VRM 之前提供更大的佈局自由度和較低的配電損耗。若電路板需要趨近負載的超低匯流排電壓，8:1 就非常適合，但可預期與 VRM 之間的距離會更近，以避免 I²R 損失。
3. 垂直電力傳輸 (VPD) / VRM
   • 數百至超過 1000 A 的電軌會配置在離裸晶僅有幾英吋甚至數毫米的位置，通常是來自封裝下方，以將寄生效應和 IR 降壓降至最低。此處會有不到 1 V 的穩壓出現，並具有由 GPU/AI 暫態驅動的動態負載階段。

在這些階段中所疊加的效率相當關鍵。在 AI 機架已超過 250 kW 的情況下，即使端對端的改善不到 1 至 2 個百分點，也能消除數 kW 的熱量，若把冷卻也算進去，每年每一座機架就是節省數萬美元的費用。

圖 1：三階電力轉換。(圖片來源：Flex Power Modules)

迎接新一代的高密度、高效率 IBC

Flex Power Modules 提供專為 AI 資料中心量身打造的產品組合：高功率密度、高效率、數位控制 (PMBus) 且佔地面積一致，因此客戶無需對電路板進行重新佈局，就可進行擴充。

1. 固定比率 4:1 中間匯流排轉換器

BMR316 — 1 kW 非隔離、4:1、非穩壓式 IBC

• 輸入 38 至 60 V → 輸出 9.5 至 15 V
• 非穩壓式 4:1 比率
• 連續 1 kW、峰值 2.8 kW (BMR313 的後繼機型)
• 50% 負載下的效率高達 97.7% (54 V 輸入)
• 超小型 LGA：23.4 × 17.8 × 7.65 mm；針對冷壁掛或液冷進行最佳化
• PMBus 遙測；與 Flex Power Designer 軟體整合；https://flexpowermodules.com/flex-power-designer

此產品適用於空間有限的 AI 加速卡，其需要 12 至 13.5 V 的中間匯流排，且在峰值暫態下又不犧牲效率。

圖 2：Flex Power Modules 的 BMR316。(圖片來源：Flex Power Modules)

2. 穩壓式 48/54 V 至 12 V 四分之一磚

BMR352 — 2 kW 非隔離、穩壓式 12 V IBC (四分之一磚)

• 輸入 40 至 60 V、輸出 8 至 13.2V
• 高達 2 kW 連續、3 kW 峰值功率
• ~98% 峰值效率、PMBus、並聯用的主動電流分擔
• 標準四分之一磚覆蓋區，可輕鬆達到熱／機械整合

使用案例：穩壓式 12 V 電軌，適用於需在廣大負載動態範圍內保持嚴格電壓容差的基板和滑軌。

圖 3：Flex Power Modules 的 BMR352。(圖片來源：Flex Power Modules)

3. 固定比率 8:1 中間匯流排轉換器

BMR323 — 非隔離、數位、固定比率 8:1

• 輸入 40 至 60 V → 輸出 5.0 至 7.5 V
• 非穩壓式 8:1 比率
• 目標：600 W 連續、1.2 kW 峰值功率
• 50% 負載下的效率高達 97.8% (54 V 輸入)
• 非常適合 6 至 7 V 的中間電軌，可供電給記憶體和輔助負載，享受 8:1 拓撲帶來的優勢。

圖 4：Flex Power Modules 的 BMR323。(圖片來源：Flex Power Modules)

針對散熱的過渡時期而設計

隨著液冷的應用範圍擴大，電源模組必須與冷板、CDU 及歧管管路一同運作。從空氣冷卻轉向直接晶片冷卻及浸沒式冷卻的趨勢將持續邁進，但在混合式解決方案中，空氣冷卻仍將承擔約 20% 的散熱工作。因此，模組效率依舊至關重要，即使每個轉換器減少 10 至 20 W 的耗散，累積起來每座機架也可減少 kW，進而減輕泵浦與冷卻器的負擔。Flex Power Modules 的穩壓式 QB 和緊湊型 LGA 模組可在接近 98% 的最佳效率點運作，其工藝設計可在新環境中成為優良的熱效率楷模。

電力目前已成為 AI 基礎設施的決定性限制。若要獲勝，就要在架構上讓每個機架單元提供更多的運算能力，這非靠純粹的算力，而是靠更智慧、更密集且更冷卻的電力。三階 DC/DC 轉換可憑藉高效率 IBC 和近裸晶穩壓步入此發展軌跡。目前 BMR316/BMR352/BMR323 已出貨，新的解決方案也已在開發中，將可提供更高的功率位準與更大的轉換比 (如 8:1)；Flex Power Modules 可提供一條直接通往更高功率的途徑，且無需犧牲電路板空間或散熱裕度。