Nguồn chính của máy chủ AI: lãnh địa của LLC chính và cuộn cảm cộng hưởng

Công suất của bộ nguồn (PSU) cho máy chủ AI và trung tâm dữ liệu không ngừng tăng, và bên thiết kế thường bị hỏi "loại dây cách điện ba lớp (TIW) này có dùng được trong máy chủ AI không". Câu hỏi này phải phân tầng trước rồi mới trả lời — bài viết chỉ bàn về tầng công suất chính: PFC đầu vào, máy biến áp LLC chính, cuộn cảm cộng hưởng và cuộn cảm từ hóa. Nói kết luận trước: tầng này là lãnh địa của máy biến áp planar và dây Litz; cách ly sơ cấp / thứ cấp được thực hiện bằng màng cách điện và thiết kế khoảng cách của PCB nhiều lớp, không thuộc chủng loại của bất kỳ dây cách điện ba lớp sợi đơn nào. Bài viết đưa ra cho kỹ sư nguồn / linh kiện từ / an toàn và mua hàng một ranh giới thẳng thắn; còn vị trí thực sự của TIW trong cùng một PSU (nguồn phụ / chờ / bias và điều khiển cổng), xem Nguồn cho trung tâm dữ liệu / máy chủ AI: vì sao công suất chính đi theo planar / Litz. Mọi giá trị của sản phẩm DAH JIN đều theo tài liệu phê duyệt quy cách.

1. Trước hết, tách riêng "tầng công suất chính" ra để xem

Một PSU máy chủ có thể chia thành đường công suất chính và đường phụ, hai bên có yêu cầu về linh kiện từ khác nhau. Đường công suất chính là trục chính chỉnh lưu điện lưới, hiệu chỉnh hệ số công suất, rồi đưa năng lượng qua DC-DC cách ly tới đầu ra. Lấy ví dụ một thiết kế tham chiếu PSU 12 kW của Infineon viết cho trung tâm dữ liệu AI và máy chủ (application note AN133110): nó gồm hai tầng, đầu vào là PFC totem-pole ba mức tụ bay (flying-capacitor) xen kẽ (interleaved), làm hiệu chỉnh hệ số công suất và ổn định bus DC trung gian; đầu ra là bộ biến đổi cộng hưởng LLC DC-DC cách ly (đầu ra được ổn áp khoảng 50 VDC); toàn máy đạt mật độ công suất 113 W/in³ và hiệu suất đỉnh 97.8%. Điều bài viết muốn bàn chính là các linh kiện từ trên trục chính này.

• Cuộn cảm / cuộn chặn PFC — Làm gì：Hiệu chỉnh hệ số công suất, ổn định bus trung gian；Dùng công nghệ gì：Linh kiện từ quấn dây dòng lớn (dây đồng / dây Litz)；Có phải chủng loại TIW sợi đơn?：Không
• Máy biến áp LLC chính — Làm gì：Cách ly và điều áp sơ cấp / thứ cấp, cấp điện chính；Dùng công nghệ gì：Máy biến áp planar (cuộn dây bằng PCB nhiều lớp)；Có phải chủng loại TIW sợi đơn?：Không (xem §2)
• Cuộn cảm từ hóa / cộng hưởng (mạch cộng hưởng LLC) — Làm gì：Tạo thành cộng hưởng LLC, hỗ trợ chuyển mạch mềm ZVS；Dùng công nghệ gì：Cuộn cảm quấn bằng dây Litz；Có phải chủng loại TIW sợi đơn?：Không (xem §3)

Trọng điểm nói trước: tầng công suất chính thực hiện cách ly và cuộn dây bằng hai công nghệ "planar cộng Litz", không có chỗ nào dựa vào việc quấn một sợi dây cách điện ba lớp sợi đơn. TIW đúng là có vị trí trong cả PSU, nhưng không ở tầng này (xem §4).

2. Máy biến áp LLC chính: lãnh địa của planar (cuộn dây PCB nhiều lớp)

Trong thiết kế 12 kW đó của Infineon, máy biến áp LLC chính dùng cấu trúc "hybrid planar": hai máy biến áp giống nhau, sơ cấp nối tiếp, thứ cấp song song; mỗi chiếc được tạo thành từ một máy biến áp từ tính planar chính, cuộn dây không phải "quấn một sợi dây" mà được thực hiện bằng các lớp đồng ăn mòn của PCB nhiều lớp (phía sơ cấp cần 9 vòng, ghép nối tiếp một PCB 6 lớp bốn vòng và một PCB 6 lớp năm vòng, rồi ghép song song nhiều tấm để giảm điện trở cuộn dây và tổn hao dẫn).

Mấu chốt là cách ly đến từ đâu. Thiết kế đó ngăn giữa sơ cấp / thứ cấp bằng màng Kapton 50 μm để tăng độ bền điện môi, và dùng vòng đệm FR4 nới rộng khoảng cách giữa cuộn sơ cấp và thứ cấp, giảm điện dung giữa các cuộn dây — nghĩa là cách điện tăng cường và điện áp chịu đựng của tầng này do cách điện giữa các lớp PCB, màng cách điện và thiết kế chiều dài đường rò / khe hở không khí cùng tạo nên, chứ không phải quấn vào một sợi dây đơn có lớp cách điện dày.

Vì sao máy biến áp chính phải đi theo planar? Đồng thuận của ngành về linh kiện từ planar là: cấu hình thấp, điện cảm rò và điện dung ký sinh có thể đặt chính xác và lặp lại được, tản nhiệt tốt hơn (diện tích lá đồng lớn và bề mặt lõi thuận lợi cho khuếch tán nhiệt), đặc biệt phù hợp với các tầng nguồn tần số cao (thường trên 500 kHz), mật độ công suất cao như trung tâm dữ liệu AI, máy chủ. Riêng việc máy biến áp planar "dùng PCB nhiều lớp làm cuộn dây" đã loại "quấn một sợi dây đơn" ra khỏi máy biến áp chính.

3. Cuộn cảm cộng hưởng và từ hóa: lãnh địa của dây Litz (litz)

Mạch cộng hưởng LLC cần cuộn cảm cộng hưởng và cuộn cảm từ hóa. Ở tần số làm việc vài trăm kHz, điện trở xoay chiều của cuộn dây cao hơn nhiều điện trở một chiều vì hiệu ứng bề mặt (dòng điện ngày càng dồn ra mép ngoài của dây dẫn) và hiệu ứng lân cận (các dây dẫn kề nhau chèn ép phân bố dòng của nhau). Lời giải chuẩn của ngành là dây Litz (litz wire) — xoắn từ vài chục đến vài trăm sợi nhỏ cách điện với nhau, để chia đều dòng điện, hạ thấp hai loại tổn hao tần số cao này, điển hình dùng cho linh kiện từ trong dải 10 kHz–5 MHz.

Quay lại thiết kế Infineon đó: cuộn cảm từ hóa của nó quấn bằng dây Litz (đặt phía trên cấu trúc máy biến áp planar, nối song song với phía sơ cấp, để có giá trị điện cảm từ hóa mà ZVS cần), còn cuộn cảm cộng hưởng được làm thành linh kiện từ độc lập, cũng quấn bằng dây Litz (khoảng 1.65 μH, chia hai khoang để từ thông triệt tiêu nhau nhằm giảm tổn hao lõi). Nói cách khác, hai cuộn cảm "cần quấn" trong tầng công suất chính dùng dây Litz nhiều sợi, không phải dây sợi đơn — vì điều cần giải ở đây là tổn hao đồng tần số cao, chứ không phải cách ly an toàn không cần đường rò.

4. Vì sao tầng này không phải chủng loại của dây cách điện ba lớp sợi đơn

Gộp hai mục trước lại, phân công công nghệ ở tầng công suất chính rất rõ: máy biến áp chính làm cách ly và điều áp đi theo planar (PCB nhiều lớp + màng cách điện + khoảng cách), cuộn cảm của mạch cộng hưởng đi theo dây Litz (nhiều sợi xoắn hạ thấp điện trở xoay chiều). Định vị thiết kế của dây cách điện ba lớp (TIW) đúng là một chuyện khác — nó là dây tráng men sợi đơn (hoặc xoắn ít sợi) bọc thêm cách điện ba lớp dày, giá trị nằm ở "chỉ một sợi dây đã đạt cách điện tăng cường (Reinforced), bỏ được đường rò và băng cách điện", giúp máy biến áp cách ly nhỏ công suất thấp đến trung bình làm được nhỏ hơn. Sở trường này khớp với các máy biến áp cách ly nhỏ loại nguồn phụ / chờ / bias và điều khiển cổng, không phải cách ly và cuộn dây của tầng công suất chính.

Ở đây cần đặc biệt làm rõ một hiểu lầm thường gặp: TLW-B7S trong bốn loại của DAH JIN tuy là dây xoắn (bảy sợi, mỗi sợi 0.10–0.30 mm, theo tài liệu phê duyệt quy cách), nhưng xoắn là để đạt cách điện tăng cường và độ mềm dẻo trên máy biến áp cách ly nhỏ; còn dây Litz mà cuộn cảm công suất chính dùng để hạ thấp điện trở xoay chiều là bó xoắn mịn vài chục đến vài trăm sợi, mỗi sợi còn nhỏ hơn (như thiết kế nêu trên: cuộn cảm từ hóa 300 sợi, cuộn cảm cộng hưởng 512 sợi, mỗi sợi 50 μm). Hai thứ khác nhau cả về số sợi, đường kính dây lẫn mục đích, là những đối tượng kỹ thuật khác nhau — nếu chỉ vì hai chữ "xoắn" mà đánh dấu bằng, sẽ nhầm TIW dùng cho cách ly an toàn thành Litz dùng để quản lý tổn hao ở công suất chính.

Vì vậy, với câu hỏi "nguồn chính của máy chủ AI có nên dùng dây cách điện ba lớp không", câu trả lời thẳng thắn là: tầng công suất chính không dùng, cũng không nên nghĩ theo hướng TIW sợi đơn; đó là lãnh địa của planar và Litz. DAH JIN là nhà sản xuất (nhà máy riêng tại Quy Nhân (Guiren), Đài Nam, Đài Loan; địa điểm sản xuất ghi trong hồ sơ UL chính là nhà máy này), bốn loại dây cách điện ba lớp (TLW-B / TLW-BB / TLW-B7S / TLW-F) có vị trí ở máy biến áp cách ly nhỏ, điều kiện đều theo tài liệu phê duyệt quy cách; bài viết không khẳng định sản phẩm DAH JIN đã được đưa vào bất kỳ máy chủ AI hay trung tâm dữ liệu cụ thể nào, cũng không lấy bất kỳ giá trị nào của thiết kế bên thứ ba nêu trên làm điều kiện của DAH JIN. Tầng nguồn phụ mà TIW thực sự có thể tham gia trong cùng một PSU, xem Nguồn cho trung tâm dữ liệu / máy chủ AI: vì sao công suất chính đi theo planar / Litz; phân nhánh đầu tiên về mã sản phẩm và cấp chịu nhiệt, xem Hướng dẫn chọn dây cách điện ba lớp và Cấp chịu nhiệt của dây và cấp chịu nhiệt của hệ thống cách điện.