功率密度翻倍！当代eFuse和GaN器件，如何破解AI数据中心痛点？

前不久IIC Shanghai同期的电源论坛几乎就是个AI话题专场——绝大部分电源IC与功率器件企业都在谈AI，可见AI对于电源产品而言绝对是个巨大的市场机会。

最近TI（德州仪器）发布了两款新品： 48V集成式热插拔（hot swap）电子保险丝（eFuse），以及集成了栅极驱动器与保护功能的GaN FET——采用TOLL封装。德州仪器系统经理游声扬在谈这两款新品时，也是藉由AI发展趋势，引入新品介绍的。

“过去以CPU为主的负载，渐渐转向GPU重负载。”游声扬在媒体会上谈到，“GPU相比CPU，需要更大功率。现在的AI服务器机架容纳了更多的CPU和GPU。所以我们就需要更高功率密度、更高效率的电源，去适配当代服务器机架需求；还需要加入额外的保护；同时，确保系统可靠性，就需要更高的集成性。”

他还特别提到，传统服务器电源供应单元（PSU）输出12V中间总线电压，在服务器电源功率提升的情况下，“12V电压较低，那么电流上升就会造成较大的铜损”——我们知道当功率提升至2kW时，12V系统电流达167A，铜损为48V系统的十几倍，故而“为了减少铜损，服务器电源正从12V走向48V输出”。这是TI本次发布新品的背景。

基于这样的大趋势，本文就来谈谈TI发布的这两款新品——对它们的深入，也有助于我们理解当代数据中心的新需求。

集成式热插拔eFuse

我们知道eFuse负责热插拔保护和电流路径管理；实现更高集成度的eFuse则通过芯片级集成和算法优化，以更小的体积实现更高的功率承载能力，提升电源管理链路的效率。本次TI新发布的48V集成式热插拔eFuse电子保险丝，产品型号为TPS1685。游声扬在媒体会上谈到该方案的核心价值：

相比于分立式的热插拔控制器+外部FET，一方面这种集成式方案“每个集成式热插拔电子保险丝都有电流传感器去管理元件之上流过的电流”（基于内置RDS(on)检测机制），基于IMON信号，在无需检测电阻和电流传感放大器的情况下就能监测电流，也能够“更有效地实现FET的电流均衡”；

同时元件数量和解决方案整体尺寸减少了50%，配合业界通用的30mm²薄型LQFN封装，设计更为精简；以及可“通过并联的方式向上扩展，需要更高电流就并联更多的器件”，扩展到更高功率（6kW）；对于系统开发者而言，这种集成式方案是能够减少设计所需时间的...

从TI官方针对这款eFuse提供的EVM评估板可见，TI将三颗TPS1685做了并联，可承载5kW功率等级。“如果用传统分立式方案，FET和hot swap controller分开的话，尺寸就要达到380mm²。”所以TPS1685这类集成式方案是有助于大幅提升电源密度的。

TI在宣传资料中强调TPS1685的几个关键特性：（1）快速响应故障事件——这是eFuse的职责所在；（2）集成式“黑匣子”（Fault Event Logger），用于记录各种故障——发生故障时就能通过数据来发现问题根源；

（3）用户可配置过流消隐计时器。游声扬解释说，由于这款产品面向当代服务器电源，而当代服务器中的“GPU动态负载相比CPU更为剧烈”，故而可能经常发生过载的情况——但这是一种瞬时过载，eFuse不能在此时触发保护。这里的过流消隐计时器就是避免在瞬时动态过流时误触发；

（4）主动的RDS(on)调节机制，通过栅极电压调节晶体管通过的电流，在多个晶体管并联时可借此优化电流均衡——前文也已经提到这一点；（5）具备FET运行状况监测功能，可确保FET运行在可靠的工作范围内。

另外值得一提的是，游声扬特别提及TPS1685基于互连的“电流传感器”，利用互连的IMON引脚确保每个并联的eFuse达成出色的电流平衡。

相对来说，“传统分立式eFuse占空间大，在做PCB layout时存在挑战”，主要是RDS(on)、PCB布线电阻和比较器阈值之间存在不匹配的问题，导致FET间的电流不均衡——电流共享不均会导致过早跳闸或误跳闸。所以基于互连IMON引脚，在TPS1685并联时，将其中一个指定为主控制器来监测系统总电流，就能避免路径电阻不匹配导致的误差。

所以总的来说，这款这款新品非常适配当代AI数据中心。TI甚至还特别撰写了一篇技术文章题为《使用集成式48V热插拔器件（电子保险丝）为现代AI数据中心供电》。“目标应用是AI、云服务器，以及其他48V总线输出的应用。”目前TPS1685系列的预生产样品已经开放购买，如前所述TI也提供了不同的EVM评估模块。

集成驱动器的GaN FET

除了这款TPS1685 eFuse之外，这次TI还发布了集成式的GaN氮化镓功率产品系列，集成了栅极驱动器——对应的也具备保护功能——过流、过温保护等，且基于TOLL封装。

集成驱动器也是当代宽禁带功率器件的趋势。“像氮化镓器件可以较快的速度切换，不集成驱动器的话，从驱动器到晶体管之间的驱动回路（driving loop）感量就会比较高，则更不容易达成高频工作范围。”游声扬谈到，“氮化镓相较硅基器件的一大价值就是开关损耗低，适配高频。”即集成驱动器，则让器件容许更高频的操作。

与此同时，在较高的开关速度下，“GaN FET可以达到150V/ns，会造成很高的dv/dt（电压随时间的变化率）和EMI噪声——不管是近场辐射还是传导的EMI干扰。”“为了应对这样的挑战，通常需要对供电单元上的layout做更好的优化。”

“我们的GaN产品里面有个pin可以调整切换速度，让速度慢下来，甚至慢到匹配硅基器件的程度，匹配原有设计的性能。”所以对于刚刚从传统硅基器件，直接换用GaN FET的用户而言，这也是个重要价值。

此次发布的几款新品均为LMG3650系列，采用TOLL封装。TI认为，基于更常见的TOLL封装有利于客户去做多供应商（multi-source）选择。具体到几款产品规格，基于650V额定电压，三种RDS(on)选择，25mΩ, 35mΩ和70mΩ——“对应大一点的功率等级，就用较低RDS(on)；较高的RDS(on)，则Coss（输出电容）较小。”

“有些设计比较重视导通损耗，如果希望导通损耗更低，选择25mΩ更好；如果希望开关损耗更低，Coss小一点，就可能会选35mΩ...”整体给客户提供不同的选择，也满足不同功率等级需求。在答记者问时，游声扬表示：“现在常见的1800W，以及上至3.6kW, 5.5kW, 8kW, 12kW——到高功率等级时，客户会选择多相interleaving拓扑，我们的产品也都可以覆盖”。

除了应用于ACDC的PFC整流器开关，“对于隔离式的DCDC而言，从400V, 450V到48V，由于高功率密度和高效率的要求，大家会用软开关电路，像是LLC串联谐振这种电路。TI的GaN器件也提供较低的Coss，减少LLC串联谐振变换器的环流损耗，所以也可以用在一次侧的开关。”当然，三款产品也有对应的EVM评估模块提供。

总的来说，TI本次发布的eFuse和GaN FET新品，从特性和性能表现来看都能极大程度反映当代AI数据中心对于电源产品的新需求，都着眼在简化数据中心电源设计。

尤其在应用数据量高速增长的时代，云计算、AI应用需求还在持续进化，也就对现代数据中心及其供电提出了更高的要求。简而言之，都是要走向更高的功率密度和效率，达成AI等技术的可持续发展。这可能也是以TI为代表的，在电源管理领域活跃的市场玩家所见的巨大市场潜力。