谷歌进化配电架构，电源系统设计欲打开新天地？

电源系统设计出现重大变化。Google等大厂陆续将伺服器配电架构由传统12伏特提升到48伏特，以及氮化镓(GaN)场效电晶体(FET)的出现，在在都让电源系统的能源效率明显提升。此一趋势也为氮化镓等新半导体材料搭建出理想的发挥舞台。

在Google宣布将陆续导入48伏特(V)伺服器及配电基础架构，打造更节能环保的资料中心后，48V电源架构跟着引发诸多讨论。然而，部分应用设计早已迫不及待，有意采用更接近60V的配电架构，以便降低配电损耗，增进系统能源效率。Google更以380V作为配电技术发展的长期目标。

48V高压配电趋势成形　60V以上蓄势待发

Vicor行销业务副总裁Robert Gendron表示，Google宣布将把自家伺服器的配电系统陆续升级到48V架构后，高压配电架构成为业界关注的焦点。根据Google的测试结果，与12V配电相比，48V配电可减少系统功耗达30%以上，其省电效果十分显着，而且还能降低系统散热需求、使用更低成本的电源线等，好处很多。

不过，从电源设计的角度来看，藉由提升配电电压来增进系统的能源效率，其实是众所皆知的概念。但理论归理论，如何克服实作上的困难才是关键。要在有限的空间内将48V电源转换成CPU、GPU所使用的3.3V、1.8V、0.8V电源，同时还要维持与12V转换一致的效率，其难度远比从12V转换要高。专注在小型化、高效率电源模组研发的Vicor，也因此被Google选为主要电源合作夥伴(图1)。

图1　为了在有限空间内将48V输入转换为负载点电压，高整合模组是必然趋势。

简言之，只要市场上有模组供应商能解决相关电源转换难题，大功率系统改用48V甚至更高压配电架构的诱因十分明显。因此，目前部分Vicor客户已经将配电架构升级到54V，藉此进一步提升系统的能源效率。

Gendron认为，短期看来，由于安规限制，60V会是高压配电的发展门槛。在60V以下的配电线路因为电压相对低，因此大多不需要通过额外的安规检测，但若配电线路的电压超过60V，在许多应用领域中，就得通过对应检测。

但若把眼光放得更远，随着技术成熟、相关生态系统逐渐到位，60V不会是高压配电架构不可逾越的门槛。事实上，单就伺服器应用来说，根据Google的规画，伺服器采用380V配电架构才是其终极目标，48V等规格只是其发展过程中所留下的脚印。

GaN FET后势看好　能源转换效率再升级

除了配电设计架构的进化外，近几年半导体业者陆续研发GaN、碳化矽(SiC)等新材料FET，也将对未来的电源设计带来正面帮助。其中Gendron特别看好GaN FET的发展前景。

Gendron认为，要评价一个新技术的发展潜力，可以从资源投入与性能的角度来衡量。如果一款新技术需要投入更多资源来取得更好的效能，该技术或许会有一定的应用需求，但其发展潜力肯定不如投入资源更少，但可以获得相同性能的新技术。SiC材料就属于前者，虽然其性能很好，但成本高昂是一大问题；GaN则是后者，其成本相对低廉，但性能表现不俗，未来肯定会成为FET的一大主流。

或许是英雄所见略同，看好GaN成长商机，德州仪器(TI)于近期推出一款功率可达600瓦的GaN FET功率级工程样本--LMG3410。与基于矽材料的FET相比，此一产品与该公司的类比和数位电力转换控制器相结合，能让设计人员开发出尺寸更小、效率及效能更高的设计。

图2　德州仪器Broad Market Power副总裁暨总经理Hagop Kozanian指出，相较于以矽为基础的FET，GaN FET在性能上有许多明显优势。

德州仪器Broad Market Power副总裁暨总经理Hagop Kozanian(图2)表示，伺服器/通讯之交流-直流(AC-DC)供应及机架式直流电源分配(Racl-mount DC Power Distribution)两大应用市场，将是驱使GaN FET成长的关键因素。

其原因在于，采用矽制造的金属氧化物半导体场效电晶体(MOSFET)造成的切换损耗较高，因此无法负荷较高的切换频率；但若采用GaN，因其本身特性可大幅减少热的产生，所造成的切换损耗也会较小。

因此，随着资料中心与通讯电源设备建置日增，为减少功率损耗，将会有越来越多客户采用GaN FET，进而带动GaN FET成长。

据悉，新推出的LMG3410借助其整合式驱动器和零反向恢复电流等特性提供可靠的效能，特别是在硬开关(Hard-switching)应用中更是如此，能够大幅降低高达80%的开关损耗；而与独立的GaN FET不同，该产品针对温度、电流和欠压闭锁(UVLO)的故障保护整合了内建智能机制。

Kozanian进一步指出，LMG3410并非只是单纯的GaN FET，还结合该公司的GaN FET整合驱动器(Integrated Driver)。结合驱动器之后，该产品可实现保