Hlavní napájení AI serverů: doména hlavního LLC a rezonanční tlumivky

Výkon napájecích zdrojů (PSU) pro AI servery a datová centra stále roste a vývojové týmy často slyší otázku „dá se tento vodič s trojitou izolací (TIW) použít v AI serveru?" Tuto otázku je třeba nejprve roztřídit podle stupňů a teprve pak odpovídat. Tento článek se zabývá pouze hlavním výkonovým stupněm: vstupním PFC, hlavním LLC transformátorem a rezonanční a magnetizační tlumivkou. Závěr napřed: tento stupeň je doménou planárních transformátorů (planar) a vysokofrekvenčního lanka (litz); izolace mezi primárem a sekundárem se zde dosahuje izolačními fóliemi a návrhem vzdáleností ve vícevrstvé desce plošných spojů (PCB) a není to kategorie žádného jednožilového vodiče s trojitou izolací. Článek dává vývojářům napájení, magnetických součástek, bezpečnosti i nákupčím poctivou dělicí čáru; kde TIW ve stejném PSU skutečně má místo (pomocné / pohotovostní / předpěťové napájení a budiče hradel), viz Napájení datových center a AI serverů: proč hlavní výkonový stupeň staví na planární technologii a lanku. Všechny hodnoty produktů DAH JIN platí podle schvalovacího listu.

1. Nejprve vyčlenit „hlavní výkonový stupeň" samostatně

Serverový PSU lze rozdělit na hlavní výkonovou cestu a pomocnou cestu; požadavky na magnetické součástky se v nich liší. Hlavní výkonová cesta je kmen, který usměrní síťové napětí, provede korekci účiníku a poté přes izolovaný DC-DC měnič dopraví energii na výstup. Jako příklad poslouží referenční návrh 12 kW PSU od firmy Infineon pro AI datová centra a servery (aplikační zpráva AN133110): je dvoustupňový, na vstupu má prokládaný tříúrovňový totem-pole PFC s létajícím kondenzátorem (zajišťuje korekci účiníku a reguluje mezilehlou stejnosměrnou sběrnici) a na výstupu izolovaný DC-DC LLC rezonanční měnič (regulovaný výstup přibližně 50 VDC); celý zdroj dosahuje hustoty výkonu 113 W/in³ a špičkové účinnosti 97.8%. Právě o magnetických součástkách na tomto kmeni je tento článek.

• PFC tlumivka — Co dělají：Korekce účiníku, stabilizace mezilehlé sběrnice；Jakou technologií：Vinuté magnetické součástky pro velký proud (měděný drát / vf lanko)；Kategorie jednožilového TIW?：Ne
• Hlavní LLC transformátor — Co dělají：Izolace a regulace mezi primárem a sekundárem, hlavní výstup；Jakou technologií：Planární transformátor (vinutí ve vícevrstvé PCB)；Kategorie jednožilového TIW?：Ne (viz §2)
• Magnetizační / rezonanční tlumivka (rezonanční obvod LLC) — Co dělají：Tvoří rezonanci LLC, umožňují měkké spínání ZVS；Jakou technologií：Tlumivky vinuté vf lankem；Kategorie jednožilového TIW?：Ne (viz §3)

To podstatné napřed: izolace i vinutí hlavního výkonového stupně vznikají dvěma technologiemi „planar plus lanko" a nikde se nespoléhají na navinutí jednožilového vodiče s trojitou izolací. TIW má v celém PSU své místo, ale ne na tomto stupni (viz §4).

2. Hlavní LLC transformátor: doména planární technologie (vinutí ve vícevrstvé PCB)

V uvedeném 12 kW návrhu Infineon používá hlavní LLC transformátor strukturu „hybrid planar": dva shodné transformátory, primáry v sérii a sekundáry paralelně; každý tvoří hlavní planární transformátor, jehož vinutí není „navinutý drát", ale leptané měděné vrstvy vícevrstvé PCB (primár potřebuje 9 závitů, získaných sériovým spojením jedné 6vrstvé PCB se čtyřmi a jedné s pěti závity; více desek se řadí paralelně, aby se snížil odpor vinutí a vodivostní ztráty).

Klíčové je, odkud se bere izolace. V tomto návrhu jsou primár a sekundár odděleny fólií Kapton o tloušťce 50 μm kvůli zvýšení elektrické pevnosti a distanční podložky z FR4 zvětšují vzdálenost mezi primárním a sekundárním vinutím, čímž snižují kapacitu mezi vinutími. Jinak řečeno, zesílená izolace a elektrická pevnost tohoto stupně vznikají společně z izolace mezi vrstvami PCB, izolační fólie a návrhu povrchové cesty a vzdušné vzdálenosti – ne navinutím jednožilového vodiče s tlustou izolací.

Proč jde hlavní transformátor planární cestou? Oborový konsenzus o planárních magnetických součástkách zní: nízký profil, přesně nastavitelná a reprodukovatelná rozptylová indukčnost a parazitní kapacita, lepší odvod tepla (velké měděné plochy a plochy jádra usnadňují rozvod tepla), což se obzvlášť hodí pro vysokofrekvenční (často nad 500 kHz) výkonové stupně s vysokou hustotou výkonu, jaké mají AI datová centra a servery. Už sám fakt, že planární transformátor používá „vícevrstvou PCB jako vinutí", vylučuje „navíjení jednožilového drátu" z hlavního transformátoru.

3. Rezonanční a magnetizační tlumivka: doména vf lanka (litz)

Rezonanční obvod LLC potřebuje rezonanční tlumivku a magnetizační tlumivku. Při pracovních frekvencích několika set kHz je střídavý odpor vinutí kvůli skin efektu (proud se stále více soustředí k povrchu vodiče) a proximity efektu (sousední vodiče si navzájem vytlačují rozložení proudu) mnohem vyšší než stejnosměrný odpor. Standardním řešením oboru je vf lanko (litz wire): desítky až stovky tenkých, vzájemně izolovaných žil se splétají, aby se proud rovnoměrně rozdělil a obě vysokofrekvenční ztráty se potlačily; typicky se používá pro magnetické součástky v rozsahu 10 kHz–5 MHz.

Zpět k návrhu Infineon: jeho magnetizační tlumivka je vinuta vf lankem (umístěna nad strukturou planárního transformátoru a připojena paralelně k primáru, aby se získala magnetizační indukčnost potřebná pro ZVS) a rezonanční tlumivka je provedena jako samostatná magnetická součástka, rovněž vinutá vf lankem (přibližně 1.65 μH, rozdělená do dvou komor, aby se toky vzájemně vyrušily a klesly ztráty v jádře). Jinými slovy, obě tlumivky hlavního výkonového stupně, které „je třeba navinout", používají vícežilové vf lanko, nikoli jednožilový drát – protože zde se řeší vysokofrekvenční ztráty v mědi, ne bezpečnostní izolace bez povrchové cesty.

4. Proč tento stupeň není kategorií jednožilového vodiče s trojitou izolací

Když spojíme obě předchozí části, dělba práce v hlavním výkonovém stupni je jasná: hlavní transformátor pro izolaci a regulaci jde planární cestou (vícevrstvá PCB + izolační fólie + vzdálenosti), tlumivky rezonančního obvodu jdou cestou vf lanka (mnoho splétaných žil snižuje střídavý odpor). Konstrukční postavení vodiče s trojitou izolací (TIW) je přesně něco jiného: je to jednožilový (nebo z několika žil slaněný) lakovaný vodič s tlustou trojitou izolací, jehož hodnota spočívá v tom, „že jediným vodičem dosáhne zesílené (Reinforced) izolace a obejde se bez povrchové cesty a izolační pásky", takže malé oddělovací transformátory nízkého až středního výkonu mohou být menší. Tato přednost odpovídá malým oddělovacím transformátorům pomocného / pohotovostního / předpěťového napájení a budičů hradel, ne izolaci a vinutí hlavního výkonového stupně.

Zde je třeba vyjasnit častý omyl: TLW-B7S ze čtyř typů DAH JIN je sice slaněný vodič (sedm žil, jednotlivá žíla 0.10–0.30 mm, podle schvalovacího listu), ale jeho slanění slouží k dosažení zesílené izolace a ohebnosti na malých oddělovacích transformátorech; vf lanko, které tlumivky hlavního výkonu používají ke snížení střídavého odporu, je jemný splétaný svazek desítek až stovek ještě tenčích žil (ve výše uvedeném návrhu 300 žil u magnetizační tlumivky a 512 žil u rezonanční tlumivky, žíla 50 μm). Obojí se liší počtem žil, průměrem i účelem a jde o různé technické objekty; klást mezi ně rovnítko jen kvůli slovu „slaněný" by znamenalo zaměnit TIW pro bezpečnostní izolaci za lanko pro řízení ztrát v hlavním výkonu.

Na otázku „má hlavní napájení AI serveru používat vodič s trojitou izolací?" tedy zní poctivá odpověď: hlavní výkonový stupeň jej nepoužívá a nemělo by se o něm uvažovat ve smyslu jednožilového TIW; to je doména planární technologie a lanka. DAH JIN je výrobce (vlastní závod v Guirenu, Tchaj-nan, Tchaj-wan; výrobní místo uvedené v záznamu UL je právě tento závod), jeho čtyři typy vodiče s trojitou izolací (TLW-B / TLW-BB / TLW-B7S / TLW-F) mají místo v malých oddělovacích transformátorech a všechny podmínky platí podle schvalovacího listu; tento článek netvrdí, že produkty DAH JIN jsou nasazeny v konkrétním AI serveru či datovém centru, a žádnou hodnotu z výše uvedeného cizího návrhu nepřebírá jako podmínku DAH JIN. Stupeň pomocného napájení, kde TIW ve stejném PSU skutečně může přijít ke slovu, viz Napájení datových center a AI serverů: proč hlavní výkonový stupeň staví na planární technologii a lanku; první rozcestník podle typu a tepelné třídy viz průvodce výběrem vodiče s trojitou izolací a Tepelná třída vodiče vs. tepelná třída izolačního systému.