夜雨聆风
前言
随着AI服务器向高电压、高耗能快速发展，为服务器供电的PSU（Power Supply Unit）的设计正在发生很大变化。其中，PSU所使用的一次侧大容量电容器，对于PSU的性能和稳定性、使用寿命都有很大的影响，可谓是非常重要的电子元器件。
由于PSU的变化，对于一次侧大容量电容器来说，就需要具有更高的性能（大容量、耐高纹波、耐高温、高可靠性等）。
在本文中，我们将就AI服务器用PSU的配置和功能方面进行分析，并对用于一次侧大容量电容器使用的铝电解电容器技术要求和方向进行整理。进而，对电容器的有效解决方案进行讨论，以推动今后PSU的发展。
第三章 AI服务器PSU的课题
能量ΔP等于转换器的输出功率Po与时间t的乘积除以效率η公式(2) *11 。
由公式(1)、公式(2)可通过公式(3)计算出一次侧大容量电容器的有效容量C。
电源输出功率为5.5kW，效率为90%，DC总线的标称电压为450V，20微秒电压下降到300V时*12，可以计算出该一次侧大容量电容器的有效容量为2173μF。
因此，为了更可靠的保持（Hold-up），需要设计更大的有效容量。
但是，AI服务器即使输出功率增加，PSU的尺寸受到限制，所以能够搭载的一次侧大容量电容器的容量也会被限制。为此实际设计时，必须考虑下列因素。
• 电容器安装空间
• 成本制约
• 热环境设计
其结果是，一次侧大容量电容器的容量并未增加，或者说稍微增加。但是电容器的负荷大幅增加，形成了两难的境地。此时，需要面对如下的课题。
• 电压跌落（Voltage Dip）增大
• 保持（hold-up）时间缩短
• 瞬态耐受性（Transient Overvoltage）降低
更重要的是，作为一次侧大容量电容器的铝电解电容器会随着时间推移而容量下降。高温、高纹波环境中会加速其劣化，寿命末期铝电解电容器的容量较初期相比会大幅下降。因此，在设计PSU时，需要按照铝电解电容器使用寿命末期的有效容量来进行设计，而不是用初期容量*13。
纹波电流的增大和发热
由于AI服务器的大功率化，使得PSU内部的电流增加。同时，通过一次侧大容量电容器的纹波电流也会相应增大。电容器与纹波电流的平方成正比的出现自身发热，因此微小的电流增加也会导致电容器温度大幅上升。
而且，近年来为了提高功率和响应能力，PSU采用了高频化PFC回路。由此，纹波电流的高频成分增加，电流波形变得复杂。结果就是，电容器的损耗增加自身发热变得更大。
特别需要注意的是，自身发热从外部不易察觉。即使设备温度并未异常，电容器内部的温度远比想象的要高，这种情况并不少见，看不见的发热对电容器的寿命有着巨大的影响。
温度应力：紧凑化的副作用
PSU的高输出紧凑化，势必会增大温度应力。以往的设计中，零部件之间存在一定的空间，各零部件释放的热量被分散了。但是，紧凑化使得以下问题叠加导致温度应力增大。
• 接近发热源
• 空气流通受限
• 冷却余量减少
特别是热点（Hot-spot）问题。位于开关原件和磁性零部件旁边的电容器，会受到周围温度和自身发热的双重影响。其结果是，比设计预想高出10〜20℃的环境中工作也并不稀奇。另外，由于液冷的引入CPU和GPU的温度得到了降低，但是大多数情况是PSU仍然依靠空气冷却。因此，虽然系统整体得到了冷却，但是PSU内部却形成了相对的高温环境。
寿命设计的难点
电容器的寿命严重依赖于温度、电压和纹波电流。在AI服务器上，所有这些都处于高负荷重叠状态，因此寿命设计较以往更加困难。再加上，作为AI用途365天24小时不间断运行和高负荷属于常态。从而使得原有的“峰值是一时的”成为了过去，峰值成了常态化的状态。结果就是如下情况，加速其劣化。
• 容量下降的早期发生
• ESR上升
• 发热增加
重点是，这些并非单独发生，而是容量、电流和温度之间相互影响，出现连锁性的劣化。
本章总结
AI服务器用PSU的课题，具体表现为容量不足、纹波电流增大、温度应力和寿命设计困难等情形。而且，这些问题并不是单独存在，而是相互作用的复合课题。弄清楚了上述结构，是理解下一章节中所涉及的实际设计变化的关键。
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编辑：钟艺蕾
校对：嘉佑
审核：郭耀德
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