大功率AI服务器PSU的革新之路

在人工智能浪潮的席卷下，AI服务器作为支撑各类复杂AI运算的关键硬件，其电源（PSU）的性能表现成为了决定整个系统效能的重要因素。作为大功率AI服务器PSU领域的一项重大革新——混合式TCM/CCM控制策略在交错TTP PFC中扮演着重要角色。它是如何从AI服务器电源发展趋势出发，凭借独特的技术优势，为AI服务器的稳定高效运行保驾护航的？让我们来深入剖析。

AI服务器电源新趋势：更高密度，更高效率

AI技术的蓬勃发展，推动AI服务器PSU发生深刻变革。

在功率方面，为满足AI服务器复杂运算的需求，PSU功率持续提升。在能效上，由于其需要长时间稳定运行，因此对PSU效率和能耗管理要求严苛，高效PSU能降低成本且环保。在空间有限的数据中心，也要求PSU进一步提高功率密度，在紧凑设计中实现更高的性能。

先进控制策略成为必然选择，像TCM、CCM及交错图腾柱PFC技术，可优化电源性能，让PSU能快速响应负载变化，实现智能电力管理。模块化和可扩展性设计也极为关键，能满足多样化功率需求，便于维护和模块替换，提升系统可靠性。

此外，AI服务器运行产热多，高效冷却和热管理技术从风冷向液冷升级，保障系统稳定。增强故障容错和预测性维护功能，减少停机风险，确保电力持续供应，是PSU高可靠性的重要体现。

为了支持性能强劲的GPU，AI服务器电源的功率需求比传统服务器高3-10倍，输出电压从传统的12V提升到48/54V，这已逐渐成为市场主流。

目前，单个PSU功率已攀升至5.5kW、8kW等规格，未来还会达到更高水平。同时，对效率的要求也越来越高，不同功率的PSU都有相应严格的效率指标，例如5.5kW PSU在特定负载条件下峰值效率可达97.5%，8kW的PSU则追求更高的功率密度和效率表现。

混合式TCM/CCM控制策略详解

图腾柱PFC拓扑结构

图腾柱PFC拓扑结构在PSU设计中应用广泛，主要有单通道和交错式两种配置。单通道图腾柱PFC通常适用于4kW以下的功率场合，器件数量少、电路结构相对简单，控制简单，易于实现。

交错图腾柱PFC则适用于对功率和效率要求更高的大功率场景。它采用两相或三相交错的方式，工作模式更加灵活，可以是CCM、TCM，甚至是混合模式。在轻载情况下，通过采用TCM模式和相屏蔽技术，能够进一步提升效率，减少器件损耗，为高功率AI服务器PSU提供了更可靠的解决方案。

控制模式对比与选择

在PFC控制策略中，常见的有CCM（电流连续模式）、DCM（电流断续模式）、CRM（临界导通模式）和TCM（三角电流模式）。在本次讨论的方案中，重点采用了CCM和TCM的混合模式。

CCM的特点是电流连续，开关频率固定。这种模式在高功率、高稳定性要求的场合表现出色，因为其电流波纹低，能够提供相对稳定的电流输出，但其开关损耗较高，轻载时效率会有所下降。

TCM则是一种开关频率可变的控制模式，电流波形呈三角形。其优势在于轻载时开关损耗低，效率较高。与DCM和CRM相比，TCM和CCM更适合AI服务器PSU应用。DCM的电流断续特性导致其工作频率不稳定，且无法实现零电压开通，在效率和稳定性方面存在不足。CRM虽然也是变频模式，但同样没有零电压开通的优势，因此在本应用场景中未被重点考虑。而TCM和CCM结合，能够实现零电压开通，有效提升整体效率，满足AI服务器在不同负载情况下的需求。

混合控制模式优势

混合式TCM/CCM控制模式具有多方面的显著优势：

优化效率：混合策略可根据负载情况在TCM和CCM之间切换，从而在广泛的工作点上优化效率。TCM在轻负载时由于开关损耗减少而更高效，而CCM在高负载时由于导通损耗较低而更高效。

减少纹波电流：两相/三相交错有助于显著减少输入和输出电流纹波。混合方法可以通过动态调整工作模式进一步优化纹波减少。

增强的热管理：在两相之间分配负载并在TCM和CCM之间切换可以带来更好的热性能和更均衡的热量散布。

改善瞬态响应：在TCM和CCM之间切换，使系统能够快速适应负载变化，提供更好的瞬态响应。

灵活性和可靠性：混合控制策略在设计和应用上提供了灵活性，使其适用于各种工作条件。它可以通过减少元件上的应力和改善热管理来提高PFC电路的可靠性。

混合控制模式在交错式TTP PFC中的实现方式

滞环电流控制

在交错式TTP PFC中，实现混合式TCM/CCM控制模式的关键技术之一是滞环电流控制。通过设定电感电流的上下限，让电感电流在这个设定范围内波动，从而实现零电压开通，有效降低开关损耗。这种控制方式响应快，能够逐周期对电流进行精确控制，且工作模式切换灵活，可以根据实际需求在CCM、TCM或其他模式之间快速切换。但它对电感电流检测的要求较高。

电流检测方案

由于滞环电流控制对电感电流检测的高要求，电流传感器需要具备多种特性。它必须具备隔离功能，以确保电路的安全性；能够进行双向检测，因为电流存在正负方向；具有低损耗特性，以减少对系统效率的影响；实现快速响应和OCP保护，满足实时控制需求；具备高带宽，以适应变频信号。

ST目前采用的是一种复合方案，即将霍尔传感器与电流互感器（CT）结合使用。CT主要用于检测交流高频成分，即电感电流中的高频电纹电流部分；霍尔传感器负责检测工频成分。两者采集的信号叠加后，能够得到反映实际电感电流的原始信号。此外，ST也在对高带宽霍尔传感器进行评估，探索更优的电流检测解决方案。

在硬件层面，ST方案以STM32G474为核心控制芯片，搭配相关的功率器件，如不同类型的MOSFET等，构建起完整的控制电路。STM32G474具备强大的处理能力和丰富的外设资源，为实现复杂的控制算法提供了硬件基础。

方案利用STM32G474内部的DAC、快速比较器和高分辨率定时器（HRTIM）实现滞环控制、ZVS（零电压开关）控制和驱动信号输出。控制回路包含一个1kHz运行的电压外环，主要作用是稳定输出电压，使其保持在设定值；一个40kHz运行的电流内环，用于精确控制电感电流。同时，还引入了输入和输出前馈控制，有效防止输出电压波动，提高系统稳定性。

CCM实现方式与仿真测试结果

进入CCM模式有两种常见的实现方式，即固定纹波带和固定开关频率。以固定纹波带为例，如设定纹波带为4A，在这种情况下，整个控制过程是变频操作。另一种方式是固定开关频率，例如设定为70kHz，此时需要根据输入电压（Vin）、输出电压（Vout）、周期（T）和电感值（L）来计算电感器纹波。通过仿真，得到了不同方式下的电流波形。目前实际应用中采用的是固定纹波带的方式。

从测试结果来看，在2000W（纯TCM）、3500W（TCM/CCM混合）、4500W（CCM为主）等不同负载条件下，电流波形表现良好。例如，在2000W纯TCM模式下，电流波形交错良好；3500W混合模式时，CCM和TCM的切换区域过渡平稳；4500W以CCM为主时，CCM区间稳定工作。这些结果充分验证了方案的可行性和有效性，尤其是电流过零部分无明显畸变，表现理想，对PFC性能的提升效果显著，为AI服务器PSU的实际应用提供了可靠保障。

由此可见，混合式TCM/CCM控制策略在交错TTP PFC中的应用，为大功率AI服务器PSU带来了性能上的巨大提升。ST针对高功率AI服务器电源精心打造了专业设计套件，并提供全面的产品组合，充分满足多样化的设计需求，为AI服务器电源的发展注入强大动力。展望未来，该技术体系有望持续优化，为AI领域发展筑牢电力根基。

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