隨著人工智能 (AI) 和邊緣應(yīng)用日趨完善和復(fù)雜，對處理器、ASIC和FPGA/SoC的計算能力和電源要求也水漲船高。因為這些設(shè)備須在更狹小的空間內(nèi)高效運行，同時保持高性能。垂直電源解決方案克服了傳統(tǒng)離散式供電系統(tǒng)在空間效率和熱管理方面的局限性。本文探討了垂直電源的優(yōu)勢和應(yīng)用，重點介紹了 TDK 的 μPOL，以及它如何解決下一代AI和邊緣應(yīng)用所面臨的電源挑戰(zhàn)。

垂直電源的需求

隨著AI和寬帶邊緣通信計算能力的持續(xù)提升，新型處理器、ASIC和FPGA/SoC對DC-DC供電提出了更高的要求，比如納入到更緊湊的板級空間和SoC電源集成中。TDK μPOL DC-DC轉(zhuǎn)換器采用嵌入式芯片技術(shù)，即SESUB（半導(dǎo)體嵌入基板）技術(shù)，實現(xiàn)了更緊湊的尺寸，并無縫貼合1A到200A的垂直電源應(yīng)用。垂直電源解決方案現(xiàn)已擴(kuò)展至電壓、輔助電壓、總線電壓以及高速串行器芯片電壓等諸多應(yīng)用。圖1展示了采用嵌入式芯片技術(shù)實現(xiàn)可擴(kuò)展垂直電源解決方案的示例。TDK μPOL可助您將傳統(tǒng)離散式供電系統(tǒng)轉(zhuǎn)變?yōu)楦鼉?yōu)的垂直電源設(shè)計。

圖1：垂直電源組件的集成示例

當(dāng)下的PCIe硬件加速器和FPGA SoM（模塊化系統(tǒng)）設(shè)計對垂直電源和高密度解決方案的需求尤為突出。采用新型嵌入式芯片技術(shù)解決方案的DC-DC轉(zhuǎn)換器目前在實際應(yīng)用中可提供從100A/cm到500A/cm甚至更高的功率密度（見圖2）。圖示為功率更高、電流范圍為1A至200A的更高端垂直電源解決方案。

圖2：采用TDK μPOL解決方案的垂直電源

TDK μPOL賦能緊湊型設(shè)計并優(yōu)化熱管理

新的DC-DC轉(zhuǎn)換器解決方案在一個完整的設(shè)計中集成了電源IC（集成電路）、電感器、自舉電容和封裝基板，非常適合垂直供電應(yīng)用（見圖3）。集成電感器不僅減小了平面占板空間，實現(xiàn)了低剖面，從而將裝置尺寸壓縮到1.2mm至4mm的范圍內(nèi)。

圖3：采用TDK μPOL解決方案的垂直電源的三維視圖電源IC晶片內(nèi)置MosFET和驅(qū)動器，并封裝在嵌入式芯片基板封裝 (SeSUB) 層內(nèi)，消除了焊線鍵合并限度減少了交互連接需求，從而避免了不必要的功率損耗。此外，晶片上采用銅再分配層，并通過層之間的細(xì)銅通孔連接到封裝引腳，從而更有效地將芯片熱量散到PCB板上。
 

AI和邊緣應(yīng)用示例

圖4展示了PCIe硬件加速卡的通用電源框圖。所用處理器可選ASIC、SoC或FPGA，外加通信接口結(jié)構(gòu)和其它總線I/O?；赑CIe輸入電源的預(yù)計規(guī)格，電源子系統(tǒng)的功率范圍可在75W到150W之間。其中電流消耗來自處理器的Vcore電壓軌，當(dāng)下的電壓范圍為0.45V至0.9V，電流范圍為25A到至150A?？傠娫唇鉀Q方案可能包含5到15個POL設(shè)備。另外，可能需要更多POL電源來支持外圍功能，比如USB、音頻編解碼器、視頻接口和以太網(wǎng)GbE端口。鑒于此，緊湊型電源設(shè)計旨在滿足日趨小型化的板載空間需求。

圖4：AI硬件加速器（電源系統(tǒng)概況）

圖5和圖6為TDK μPOL在AI硬件加速卡電源解決方案中的應(yīng)用示例。其中圖5是一款電流為50A的完整解決方案，采用了兩個并聯(lián)了輸入和輸出電容器的FS1525設(shè)備，尺寸僅為27.9mm x 12.7mm。FS1525可擴(kuò)展至8相，從而滿足Vcore從25A到200A的電流范圍需求。該設(shè)計具有優(yōu)異的瞬態(tài)響應(yīng)能力，響應(yīng)時間從10A/s到200A/s+不等，可滿足新型FPGA、ASIC和SoC的需求。同時，輸出電壓的精度可達(dá)±1% DC和±3% AC。該特點得益于其內(nèi)置的2相（2個電感器）設(shè)計，使得每個電源模塊都具有更高的有效頻率（范圍為1MHz到16MHz）。內(nèi)置調(diào)節(jié)器同樣設(shè)計精巧，有效減少了外部負(fù)載元件的數(shù)量。該解決方案厚度不到4mm，能安裝在散熱片或封裝的處理器或FPGA防塵罩下方。在整個電源模塊結(jié)構(gòu)中，F(xiàn)S1525的高度僅為3.8mm。諸多優(yōu)勢促成了新穎的垂直電源設(shè)計，有望讓POL設(shè)備更靠近目標(biāo)負(fù)載，無論該負(fù)載是位于PCIe板或類似緊湊裝置（1U到3U或SoM）的頂部還是底部。圖6則以50A電源解決方案的典型電路圖為例展示了FS1525的外部組件的高度集成。圖中，兩個FS1525設(shè)備在電流共享模式提供50A的電源。

下文表1提供了一個適合各種AI SoC/FPGA和ASIC以及邊緣SoC的可擴(kuò)展垂直電源解決方案（電流范圍為25A至200A）示例。

圖5：高功率密度的50A DC-DC電源解決方案

圖6：典型電路圖（FS1525在高功率密度50A DC-DC電源解決方案中的應(yīng)用）表1：適合各種AI SoC/FPGA/ASIC與邊緣SoC的垂直電源解決方案（Vcore電源電流范圍為25A到200A）TDK μPOL的亮點及優(yōu)勢
TDK面向DC-DC電源應(yīng)用的解決方案具有以下主要優(yōu)勢，廣泛適合各種場景：
非常適合緊湊型DC-DC電源模塊
·尺寸和厚度
·高度集成且更簡單的物料清單（限度減少外部元件）·更簡易的設(shè)計：簡單的電路圖和PCB布局，支持Spice和Simplis工具更堅固的結(jié)構(gòu)
·在無氣流情況下具有更好的熱性能
·寬廣的工作溫度范圍：-40°C至+125°C
支持可擴(kuò)展的電源設(shè)計
·1A至200A的電源模塊，實現(xiàn)完整的DC-DC電源解決方案·輸出電壓范圍：0.4V到5V
·電源功能：遙測、故障設(shè)置與控制，輸出電壓設(shè)置（通過I2C/PMBus）·可通過添加設(shè)備來擴(kuò)展配置
可持續(xù)性
·使用壽命長（10至15年以上）
·引腳配置兼容性好，滿足不同廠商的設(shè)備需求面向AI和邊緣應(yīng)用的TDK電源參考設(shè)計
TDK的若干電源參考設(shè)計已經(jīng)投產(chǎn)，可滿足主流處理器、FPGA/SoC以及專用AI ASIC的需求。其中一些設(shè)計可在TDK和合作伙伴網(wǎng)站上找到。以下是部分設(shè)計列表：
TDK μPOL在AMD Versal中的應(yīng)用

Avnet AMD-Xilinx Versal Edge參考設(shè)計平臺計劃于2025年季度推出。該設(shè)計的啟動器電路圖和Simplis設(shè)計庫可在TDK網(wǎng)站上找到。此設(shè)計將用于AMD的VersalEdge系列VE2302自適應(yīng)計算加速平臺，也即是一款A(yù)I SoC/FPGA。該設(shè)計中采用了TDK的FS1525 (50A) 和FS1406（1A至6A）來實現(xiàn)緊湊的SOM和載板電源設(shè)計。圖7所示為即將發(fā)布的參考設(shè)計平臺。應(yīng)用領(lǐng)域包括：人工智能、機(jī)器學(xué)習(xí)、邊緣計算、邊緣傳感器（雷達(dá)、LiDAR）、機(jī)器人。

圖7：Avnet的Versal AI Edge系列VE2302模塊化系統(tǒng)TDK μPOL在Altera Agilex中的應(yīng)用

AgilexFPGA/SoC非常適合帶集成GbE能力的邊緣應(yīng)用。該參考設(shè)計預(yù)計于2025年初推出，適用于Agilex 5開發(fā)套件（由Arrow和Altera聯(lián)合開發(fā)）。該設(shè)計將采用FS1525 (25A)、FS1606（1A至6A）以及其它TDK μPOL裝置，為Agilex 5提供完整的電源設(shè)計。FS1525支持SmartVID，能在SmartVID上實現(xiàn)電流范圍從25A至200A的可擴(kuò)展Vcore電源，并能通過PMBus與Intel Altera的Quartus/SDM控制進(jìn)行通信。另外，F(xiàn)S1006-3300 (3.3V) 也非常適合邊緣通信應(yīng)用，支持Altera的Agilex系列用于QSFP千兆以太網(wǎng)（功率達(dá)10W，帶寬范圍為10 Mbps至2.5Gbps）。Altera的Agilex系列（含Agilex 7和Agilex 5）的啟動器電路圖和Simplis設(shè)計庫可在TDK上找到。更多詳情將于2025年季度發(fā)布。下文圖8展示了Agilex 5電源解決方案的示例，其中包括適合各種Agilex芯粒選項和電壓軌合并（旨在限度減少POL設(shè)備數(shù)量）的電源選項。TDK μPOL的緊湊尺寸和高功率密度非常貼合Agilex 5的要求，詳見圖9。圖9顯示了FS1525在Agilex 5的VCC (Vcore) 應(yīng)用，工作電流為25A，尺寸為6.8mm x 7.6mm x 3.8mm（高），其中電源模塊還集成了電感器。圖10展示了采用FS1525滿足Agilex 5 Vcore電壓軌在低紋波電壓和瞬態(tài)響應(yīng)方面的性能要求。

圖8：TDK μPOL – 面向Altera的Agilex 5統(tǒng)一電源解決方案

圖9：TDK用于Agilex 5的FS1525 (25A),完整物料清單解決方案，支持SmartVID圖10：TDK用于Agilex 5的FS1525 (25A)，滿足紋波電壓和瞬態(tài)響應(yīng)方面的性能要求適合各種嵌入式處理器、FPGA/SoC和ASIC應(yīng)用的TDK電源參考設(shè)計下表2提供了適合低端、中端和高端嵌入式處理器、FPGA/ASIC、邊緣GbE設(shè)備的快速參考指南，可作為DC-DC解決方案（5W至200W+）中TDK μPOL裝置的快速選型參考。所有這些裝置及類似元件都須根據(jù)DC-DC解決方案的需求調(diào)節(jié)。