在人工智能狂潮中为数据中心的 HPC 系统提供电源的现代器件

随着云服务的不断扩张，以及对依赖于大型语言模型 (LLM) 的人工智能 (AI) 应用的突然需求，数据中心的增长迅猛，这些应用需要更强的可扩展性和庞大的计算资源。这就要求新一代高性能计算 (HPC) 系统采用能满足更高功率和热管理需求的专用器件。

这些数据中心的需求推动了对功率电容器、电阻器和电感器等增强型无源元件的需求，产品设计师可使用这些元件开发更先进的 HPC 设备，以满足人工智能处理的要求。这些要求包括在更小的设备中实现更高的效率、性能、可靠性和热管理，从而使数据中心能够优化空间并提高其系统密度。

可提高 HPC 效率的电感器

KEMET 属于 YAGEO Group 旗下，开发出了金属复合电感器，以提高 DC-DC 转换器和开关模式电源的性能。依托其作为原始设备制造商的定制磁性元件供应商的历史，该公司开发出了标准化系列 METCOM MPX 功率电感器产品，实现了更高的瞬态电流容差和更高的工作温度，且设计紧凑，性能卓越。

相比传统铁氧体电感器，METCOM 金属复合功率电感器的磁芯饱和磁通密度高，可实现更大的磁场强度。这些产品能在其温度和电流范围内保持稳定的电感。

磁芯由金属粉末、隔离涂层和黏合剂组成。MPX 系列的电感范围为 0.1 至 100 µH。

该系列电感器采用圆铜线，且铜线周围环绕烧结磁性金属复合粉末（图 1），能够在温度和电流范围内保持稳定的电感，因此适用于许多 DC/DC 稳压器，例如数据中心服务器的开关模式电源、功率电感器、EMI 滤波电感器和负载点稳压器。

图 1：METCOM MPX 功率电感器使用由烧结磁性金属复合粉末包围的圆形铜线。（图片来源：KEMET）

相比铁氧体磁芯电感器，使用金属粉末可以生产出能量密度更高、耐热性更强的电感器，从而实现更小的封装面积，以及在更高频率下更低的磁芯损耗，更出色的电磁干扰 (EMI) 抑制能力等更多优势。所有这一切都有助于提高数据中心运行所必需的耐用性、可靠性。

MPX 系列有 200 多种选择（图 2），Kemet 提供了广泛的选择。这种电感器有多种尺寸选择，具体包括 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。

图 2：METCOM MPX 的外形。（图片来源：KEMET）

例如，MPX1D0630L3R3 是一款 6 x 6 mm 器件，高 3.0 mm，可在不影响性能的情况下有效利用密集印刷电路板上的空间。该器件的额定工作温度高达 +155°C，电感 3.30 µH ±20%，最大直流电阻为 30.3 mΩ，适用于对电源完整性、热管理和效率要求极高的 HPC 环境。

如果需要对电感值的要求不那么严格或需要更强的通用性，可选择 MPX1D0530L220，该器件的尺寸为 5 x 5 mm，高 3.0 mm，电感值 22.00 µH。该器件具有较大的最大 DC 电阻，为 341.2 mΩ，适用于热管理要求不高的情况，或系统内置增加了冷却器的情况。

适用于 HPC 功率磁珠电感器选项

YAGEO 旗下的 Pulse Electronics 公司推出针对大电流处理进行了优化的功率磁珠电感器，以适应需要一般 EMI 抑制能力且无严格性能要求的 HPC 系统。这些器件专为与跨电感稳压器 (TLVR) 拓扑一起使用而设计。

铁氧体磁芯功率磁珠电感器是绕线磁环电感器的替代品，而绕线磁环电感器通常用来向台式磁芯稳压器 (VCORE) 提供电源。功率磁珠电感器采用通孔技术 (THT) 制造，具有更高的效率和更严格的公差，可缩小 VCORE 稳压器的尺寸。

在多相降压拓扑结构中，功率磁珠电感器不需要交错使用单绕组电感器的纹波电流，因此电感器的电感值更小，并能在转换器对负载电流变化的响应速度（瞬态响应）与控制环路的稳定性之间进行设计权衡。

Pulse Electronics 的产品通常用于大电流、多相稳压器，为处理器、存储器模块以及用于服务器、图形卡、存储和数据中心的大电流 ASICS 和 FPGA 供电。这些双绕组 TLVR 电感器的封装尺寸从 4 x 4 mm 到 13 x 13 mm 不等，电感范围为 20 nH 到 1 µH。

诸如 PGL6380.101HLT 等 PAL6373.XXXHLT 系列（图 3）器件的封装尺寸为 12 x 6 mm，电感为 100 nH 至 200 nH，额定饱和电流为 59 A 至 125 A（峰值），工作温度范围 -40°C 至 +125°C。该系列的结构是在 1T 或 2T 绕组上装配一个铁氧体磁芯，具有极小的 DC 电阻 (DCR)、大峰值电流和低 AC 损耗。该系列分为单相、集成相和耦合电感器版本。

图：Pulse Electronics 的 PAL6373.XXXHLT 系列功率磁珠电感器。（图片来源：Pulse Electronics）

对于 HPC 系统，选择功率磁珠电感器还是金属复合型电感器取决于系统的具体要求，例如对高电感稳定性、耐温性和降噪的需求。KEMET 电感器在高达 +180°C 的较宽温度范围内性能稳定，其模压金属结构有助于降低声噪，这在对噪声敏感的高性能 HPC 系统非常有利。

稳定的长寿命电容器

KEMET 的导电聚合物固态铝电解电容器也非常适合对性能、效率和可靠性要求极高的 HPC 系统。

与使用液态导电电解质的传统“湿式”铝电解电容器不同，KEMET 电容器中的固体聚合物具有较小的等效串联电阻 (ESR)，在不同温度、频率和工作寿命下均能保持稳定。

与湿式电容器相比，固态聚合物器件具有更大的纹波电流和更长的使用寿命（在湿式电容器中，电解液可能会变干和失效），而且抗振性更强，设计更稳定。这类电容器能在高频率下有效地保持电容，使其成为快速开关电源的理想之选。

KEMET 电容器可在 HPC 系统的典型大电流条件下有效运行，而不会出现明显的功率损耗，并且由于结合了导电聚合物和电解质，与标准电解质相比，KEMET 电容器可承受更高的电压。与替代产品相比，固态聚合物铝电解电容器具有更好的电气性能和耐用性，可显著提高 HPC 系统的整体效率和可靠性。

KEMET 的 A768 系列表面贴装电容器（图 4）的使用寿命更长，温度稳定性更高，电容值为 18 µF 到 1,200 µF，电压范围为 4 V_DC 到 80 V_DC。例如，A768MS108M1CLAE015 是 16 V、1000 µF 版本， 其 ESR 额定值为 15 mΩ，工作温度为 -55°C ~ +125°C。该器件的占地面积为 0.406" L x 0.406" W (10.30 mm x 10.30 mm)。

图 4：KEMET A768 系列表面贴装固态聚合物铝电容器。（图片来源：KEMET）

这些电容器专为在苛刻的热条件下保持性能而设计，并可承受高达 30 g 的振动，适用于机械应力或移动可能导致不稳定的 HPC 环境。

片式薄膜电阻器

片式电阻器是 HPC 设计的另一个重要组成部分，这类器件与电源逆变器和电容器相辅相成，可防止电流过大，并确保系统的整体稳定性和效率。2023 年，YAGEO Group 推出了 NT 系列氮化钽片式薄膜电阻器，专为在苛刻环境中保持高一致性能而设计。

NT 系列的自钝化设计可形成防水层，可以保护电阻层，防止湿气侵入。这些器件的外壳尺寸从 0402 到 1206 不等，电阻为 100 Ω 到 481 kΩ。

NT 电阻器的工作温度范围宽，可达 -55°C 至 +155°C，这有助于实现稳定的功率分配和高效的能量传输。该系列器件具有低电阻温度系数 (TCR)，具体为 ±25、±50 ppm/°C， 且额定功率为 1/20 W 至 2/5 W。

结语

在云计算和人工智能方面的需求，促使人们需要采用具有特殊属性的电子元件，以便在苛刻的条件下具有高可靠性。设计人员可以使用专用功率电感器、电阻器和电容器（如 YAGEO Group 及其子公司 KEMET 和 Pulse Electronics 提供的产品）来满足 HPC 系统不断变化的要求。