上一篇文章簡要概述了和目前電力電子領(lǐng)域通用的電源系統(tǒng)架構(gòu)，算是一個科普，后續(xù)我的想法是進一步介紹幾個重點行業(yè)的電源系統(tǒng)架構(gòu)以及相應(yīng)解決方案。當(dāng)然，還是那句話，個人資歷尚淺，抱著一種學(xué)習(xí)分享的態(tài)度和各位朋友共同進步！
首先，從計算機開始。云計算、人工智能（AI）、機器學(xué)習(xí)以及其他一些革命性技術(shù)正在整個行業(yè)中擴展開來，并已融入了消費者的日常生活中。比如和云計算強相關(guān)的數(shù)據(jù)中心/服務(wù)器設(shè)備，它們多是基于x86架構(gòu)，Intel占絕對份額，其次是AMD。除此之外還有和人工智能相關(guān)的硬件加速卡設(shè)備，它們主要基于GPU、FPGA、ASIC等，為計算、網(wǎng)絡(luò)、存儲提供硬件加速，目前多以外設(shè)板卡配合PCIe接口形式存在，其中NVIDIA、Xilinx、寒武紀(jì)等廠商在各自領(lǐng)域都占據(jù)霸主地位。
如前所述，雖然硬件設(shè)備層出不窮，技術(shù)日新月異，但從電源角度看，它們都屬于計算機IT設(shè)備，負載特性類似（絕大所示都是IC類） ，供電架構(gòu)也類似。
圖1.機架式服務(wù)器系統(tǒng)框圖
圖1所示為目前主流機架式服務(wù)器的系統(tǒng)框圖，可以看到主板內(nèi)的主要芯片包括CPU、DDR、PCH（類似于南橋）、BMC、CPLD，以及Hot Swap、電流、溫度sensor等，當(dāng)然硬盤也會通過相應(yīng)接口與主板連接。CPU和DDR都很熟悉，PCH解釋一下，過去的PC主板架構(gòu)是CPU+北橋+南橋，北橋再和內(nèi)存相連，走高速信號，而南橋和低速外設(shè)（如硬盤、USB等）相連，現(xiàn)在北橋被集成進CPU里了，南橋也被PCH所取代。BMC是服務(wù)器主板比PC主板增加的一個芯片，其實就是一個ARM內(nèi)核的MCU，負責(zé)整板帶外監(jiān)控和管理，監(jiān)視服務(wù)器的物理健康特征，如溫度、電壓、風(fēng)扇工作狀態(tài)、電源狀態(tài)等。CPLD負責(zé)上下電時序控制，邏輯粘合等，Hot Swap顧名思義就是熱插拔的保護電路。以上是系統(tǒng)服務(wù)器主板系統(tǒng)的一個框架介紹，雖然簡單，但重點器件應(yīng)該都包括了。下面看一下它的電源拓撲：
圖2.Intel VR13 CPU/DDR Power Distribution
在圖2左上角，12V典型值的DC直流電壓從PSU輸出到主板，系統(tǒng)級電源部分需要設(shè)計Hot Swap和efuse等電路來防止熱插拔過程中產(chǎn)生的浪涌電流，尖峰電壓，達到保護后級負載的目的。看到CPU主要有3個Power Rail，內(nèi)核VCCIN ，系統(tǒng)管理VCCSA，總線VCCIO，剩下的是內(nèi)存相關(guān)的供電。給CPU供電的模塊一般稱為VRM，目前INTEL服務(wù)器端發(fā)布的10nm ICELAKE CPU已經(jīng)達到400A的核心電流，因此，集成MOSFET的單相供電方案是無法滿足如此高的功率要求的，而且集成方案在散熱，體積，成本、以及功率器件選型的可行性上也存在問題，目前較為合理的是采用controller+DrMOS的分立方案，供電相數(shù)采用7相供電，達到效率與成本的平衡。內(nèi)存方面，DDR4仍然是主流，方案是4相VRM為4通道的72A內(nèi)存條供電。
圖3.Intel VR13 PCH/BMC/CPLD Power Distribution
從上面的分析看到，主板上CPU和DDR（內(nèi)存條）的供電方案一般采用controller+DrMOS的多項供電方案，對于核心（Vcore電）以外的電源軌則配合少量集成單相BUCK和LDO方案。而PCH、BMC以及CPLD則采用僅集成單相BUCK方案（也叫POL電源）就可以覆蓋供電需求（如上圖所示）。
總體看來，傳統(tǒng)服務(wù)器主板的電源設(shè)計難點不在于拓撲的復(fù)雜程度（僅用到BUCK一種拓撲），也不涉及到變壓器設(shè)計。就電源本身而言，挑戰(zhàn)在于：
- 負載電流大（單CPU耗電可達300W以上）， 電壓低的同時還要求很高的靜態(tài)精度（3%以內(nèi)） 和很快的動態(tài)響應(yīng)速度（slew rate 1000A/us以上） ，這就需要現(xiàn)代數(shù)字PWM控制器PID環(huán)路控制方式的配合，同時仔細設(shè)計輸出LC濾波器、優(yōu)化電容的容值和數(shù)量
- 服務(wù)器、數(shù)據(jù)中心對效率的要求越來越高，因此在功率器件選型優(yōu)化上也不容易，還需考慮到PCB的Layout
- 會涉及到SVID協(xié)議主動電壓調(diào)節(jié)負載電壓需求，這就形成了一個數(shù)模混合系統(tǒng)
- 會涉及到一些用于功耗、溫度等實時監(jiān)控的協(xié)議如PMBus
就主板系統(tǒng)而言，還有另外的挑戰(zhàn)：
- 負載芯片很多，帶來的是電源軌很多，時序要求越來越復(fù)雜 ，所以整體的Power Distribution規(guī)劃需要豐富的經(jīng)驗
- 由于x86系統(tǒng)的主板上涉及到很多高速電路，如DDR、PCIe等，因此如何避免開關(guān)噪聲干擾這些敏感走線，抑制EMI干擾就尤為重要
- 功率密度越來越大，電源模塊的保證散熱設(shè)計也需要著重考慮
下面是典型的硬件加速卡系統(tǒng)架構(gòu)，可以用于目前大熱的人工智能、邊緣計算等領(lǐng)域。
圖4.硬件加速卡系統(tǒng)框圖
可以看到，加速卡內(nèi)部結(jié)構(gòu)和服務(wù)器主板有很多類似之處，最大區(qū)別在于其主處理器芯片：加速卡采用的是GPU/FPGA/ASIC的形式。目前來看，NVIDIA的GPU核心加速卡在市場占大部分份額。
GPU和CPU相比，提供了多核并行計算的基礎(chǔ)結(jié)構(gòu)，且核心數(shù)非常多，可以支撐大量并行計算，但從供電角度來看，似乎二者沒什么不同，只是功耗、電壓有所區(qū)別，本質(zhì)是一樣的。因此，以GPU為核心的硬件加速卡電源架構(gòu)與服務(wù)器主板類似，GPU和DDR通過controller+DRMOS分立方案多相供電，而其他功能芯片采用集成BUCK（POL）供電即可。需要注意的一點是：對于PCIe接口的硬件加速卡，如果PCIe提供功率不足，則還需輔助的電源線對板卡供電，這就需要考慮分立與合路輸入電壓設(shè)計。
這次就先寫這么多，主要是對計算機硬件行業(yè)中比較典型的服務(wù)器以及最近比較熱門的硬件加速卡的系統(tǒng)供電架構(gòu)做了介紹，主要以系統(tǒng)框架和電源方案為主，沒有涉及深入和細節(jié)的東西，因為學(xué)習(xí)總結(jié)都是從淺入深，先屢清楚框架脈絡(luò)再深入細節(jié)研究，優(yōu)化的嘛，一步一步來。