Nguồn trung tâm dữ liệu / máy chủ AI: vì sao công suất chính đi theo planar / litz, và dây cách điện ba lớp dùng ở tầng nào

Bộ nguồn (PSU) cho máy chủ AI và trung tâm dữ liệu ngày càng tăng công suất, và phía thiết kế thường bị hỏi theo kiểu "loại dây cách điện ba lớp (TIW) này có dùng được trong máy chủ AI không?". Cách hỏi này gộp cả một bộ PSU làm một; câu trả lời thực ra phải chia theo tầng: đường công suất chính (PFC, LLC chính, cuộn cảm cộng hưởng) đi theo biến áp planar (planar) và dây Litz (litz), không phải địa bàn của bất kỳ TIW đơn sợi nào; vị trí của dây cách điện ba lớp nằm ở các biến áp cách ly cỡ nhỏ của nguồn phụ / chờ / bias (aux / standby / bias) và tầng lái cổng. Bài viết này tách PSU thành vài tầng, giải thích từng tầng dùng linh kiện từ nào và đến tầng nào mới tới lượt TIW, để các kỹ sư nguồn / linh kiện từ / an toàn và mua hàng có một đường đối chiếu trung thực; phân công giữa các linh kiện từ trong chính tầng công suất chính xem thêm bài cùng loạt "Nguồn chính máy chủ AI: địa bàn của LLC chính và cuộn cảm cộng hưởng".

1. Trước hết, tách một bộ PSU thành các tầng

Bối cảnh lớn của cấp điện cho tủ rack là điện áp đang tăng. Blog kỹ thuật của NVIDIA giải thích rằng AI factory hiện phân phối 54 VDC trong tủ rack, và để hỗ trợ tủ rack IT cấp 1 MW sẽ đưa kiến trúc một chiều cao áp 800 VDC vào từ năm 2027; đây là xu hướng cấp điện ở cấp tủ rack, không trực tiếp quyết định một biến áp nào đó phải dùng dây gì. Thứ thực sự quyết định vị trí của dây là cách phân tầng bên trong PSU.

Một bộ PSU máy chủ có thể chia thô thành hai đường, mỗi đường có yêu cầu linh kiện từ khác nhau:

• AC-DC đầu vào (PFC) — Chức năng：Hiệu chỉnh hệ số công suất, ổn định điện áp bus trung gian；Linh kiện từ điển hình：Cuộn cảm / cuộn chặn PFC (linh kiện từ quấn dây, phần lớn là dây đồng dòng lớn hoặc dây Litz)；Có phải chủng loại TIW đơn sợi?：Không
• DC-DC cách ly đầu ra (LLC chính) — Chức năng：Cách ly sơ cấp / thứ cấp và điều chỉnh điện áp, cấp nguồn chính；Linh kiện từ điển hình：Biến áp công suất chính + cuộn cảm cộng hưởng / từ hóa；Có phải chủng loại TIW đơn sợi?：Không (đi theo planar + litz, xem §2)
• Nguồn phụ / chờ / bias (aux / standby / bias) — Chức năng："Nguồn nội bộ" cho mạch điều khiển, lên trước nguồn chính；Linh kiện từ điển hình：Biến áp cách ly công suất nhỏ (quấn dây, ví dụ flyback)；Có phải chủng loại TIW đơn sợi?：Có, vị trí thường gặp (xem §3)
• Lái cổng (gate-drive) — Chức năng：Truyền cách ly tín hiệu lái và bias cho khóa của tầng công suất；Linh kiện từ điển hình：Biến áp lái cổng quấn dây；Có phải chủng loại TIW đơn sợi?：Có, vị trí thường gặp (xem §4)

Điểm then chốt nói trước: đường công suất chính (PFC, LLC chính, cuộn cảm cộng hưởng) không phải chủng loại dây cách điện ba lớp đơn sợi của DAH JIN; vị trí thực sự của TIW là hai loại biến áp cách ly cỡ nhỏ ở nửa dưới của bảng. Dưới đây giải thích theo từng tầng.

2. Vì sao công suất chính đi theo planar và litz

Lấy ví dụ một application note của Infineon viết cho PSU 12 kW dùng trong trung tâm dữ liệu AI và máy chủ. Đường công suất chính của nó gồm hai tầng: đầu vào là PFC totem-pole ba mức xen kẽ kiểu tụ bay (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 (cho đầu ra cách ly và được điều chỉnh khoảng 50 VDC). Loại thiết kế này đạt hiệu suất đỉnh 97.8% và mật độ công suất trên 113 W/in³.

Mấu chốt là linh kiện từ được làm như thế nào. Tài liệu đó ghi rõ biến áp LLC chính dùng cấu trúc "hybrid planar": gồm biến áp chính dạng từ phẳng (primary / secondary thực hiện bằng cuộn dây PCB nhiều lớp), giữa sơ cấp và thứ cấp ngăn bằng màng cách điện Kapton để đạt điện áp chịu đựng và điện dung ký sinh thấp; còn cuộn cảm từ hóa và cuộn cảm cộng hưởng được quấn bằng dây Litz, xếp chồng lên trên cấu trúc biến áp planar. Nói cách khác, tầng công suất chính đạt cách ly sơ cấp / thứ cấp nhờ màng cách điện giữa các lớp PCB và thiết kế chiều dài đường rò / khe hở không khí, chứ không phải quấn một sợi dây cách điện ba lớp đơn vào; còn cuộn cảm cộng hưởng / từ hóa tần số cao dùng dây Litz để hạ điện trở xoay chiều, cũng không thuộc chủng loại TIW đơn sợi.

Lý do đằng sau lựa chọn thiết kế này rất trực tiếp: tầng công suất chính phải cân bằng giữa tần số cao, mật độ công suất cao, tản nhiệt mạnh và chuyển mạch mềm (ZVS); chiều cao thấp, tham số giữa các lớp có thể dự đoán và khả năng tản nhiệt của biến áp planar, cộng với tổn hao tần số cao thấp của cuộn cảm dây Litz, đúng là khớp với các yêu cầu đó. Đây cũng là lý do câu trả lời trung thực cho "công suất chính của máy chủ AI có nên dùng dây cách điện ba lớp không" là: không; cách ly và cuộn dây ở tầng đó đi theo một lối công nghệ khác. Các thiết kế LLC cho trung tâm dữ liệu trong giới học thuật và công nghiệp (như nghiên cứu LLC mật độ cao tích hợp từ phẳng, thiết kế tham chiếu LLC AC-DC cho máy chủ) cũng nhất quán chỉ về tổ hợp planar + Litz.

3. Vị trí đầu tiên của dây cách điện ba lớp: nguồn phụ / chờ / bias

Ngoài nguồn chính, mỗi PSU đều có một bộ "nguồn nội bộ" (housekeeping). Quy cách thiết kế biến áp bán dẫn (SST) của OCP liệt kê nó như một thành phần độc lập (Auxiliary power) và định nghĩa vai trò của nó: là bước đầu tiên khi cấp điện, vận hành với mức sẵn sàng cao nhất, và độc lập với trạng thái vận hành của thiết bị chính. Nguồn chờ / bias của PSU máy chủ cũng thuộc loại này: trước khi nguồn chính được thiết lập, nó nuôi bộ điều khiển, mạch truyền thông và mạch bảo vệ trước.

Loại nguồn này công suất nhỏ nhưng vẫn phải đạt cách ly an toàn qua sơ cấp / thứ cấp (tô-pô thường gặp như flyback), và thứ nó dùng là biến áp cách ly cỡ nhỏ quấn dây. Để đạt cách điện tăng cường (Reinforced) trên biến áp nhỏ loại này bằng một sợi dây quấn duy nhất, dây cách điện ba lớp chính là phương tiện thông dụng; đây mới là cấp ứng dụng mà bốn loại dây cách điện ba lớp của DAH JIN (TLW-B, TLW-BB, TLW-B7S, TLW-F) thực sự khớp.

Ở tầng này, căn cứ sơ cấp mà DAH JIN có thể cung cấp là một bộ điều kiện chứng nhận cố định, chứ không phải tuyên bố "đã được đưa vào một máy chủ AI nào đó": cả bốn loại đều nằm trong phạm vi đánh giá IEC 62368-1 Annex J của VDE 40008834 Anlage 200; các giá trị cụ thể như điện áp làm việc / điện áp đỉnh / tần số thử nghiệm luôn theo tài liệu phê duyệt quy cách và chứng chỉ VDE; đường kính dây 0.10–1.00 mm (TLW-B7S là dây bện 7 sợi, mỗi sợi 0.10–0.30 mm); cấp chịu nhiệt 130(B), TLW-F là Class F (155°C). Cách làm ở phía thiết kế là lấy điểm làm việc thực tế của biến áp phụ / chờ của mình, đối chiếu với điều kiện Annex J ghi trong tài liệu phê duyệt quy cách: nằm trong điều kiện thì chọn được, bất kỳ hạng mục nào vượt thì cần đánh giá riêng. Bài viết này không tính ngược điện áp làm việc của biến áp từ bus 800 VDC của tủ rack, cũng không khẳng định dây cách điện ba lớp DAH JIN đã được đưa vào bất kỳ hệ thống cấp điện trung tâm dữ liệu cụ thể nào. Ranh giới giữa cấp chịu nhiệt của dây và cấp chịu nhiệt của hệ thống cách điện, xem Cấp chịu nhiệt của dây và cấp chịu nhiệt của hệ thống cách điện.

4. Vị trí thứ hai: biến áp lái cổng

Khóa của tầng công suất SiC / GaN cần được lái có cách ly, tín hiệu lái và bias thường được truyền qua sơ cấp / thứ cấp bằng biến áp lái cổng quấn dây. Dữ liệu sản phẩm biến áp lái cổng trong ngành cho thấy, để loại biến áp này đạt cấp cách điện tăng cường, phiên bản tương ứng được quấn bằng dây cách điện ba lớp trên các cuộn dây, nhằm đáp ứng yêu cầu cách điện tăng cường của các tiêu chuẩn như IEC 61558, IEC 60601; tài liệu ứng dụng của Texas Instruments (TI) cũng xếp "nguồn bias cách ly cho bộ lái cổng cách ly" thành một đề tài thiết kế riêng. Đây là các sự kiện ứng dụng của bên thứ ba, dùng để cho thấy nhận định "biến áp lái cổng là vị trí hợp lý của TIW" là đúng; các con số điện áp chịu đựng trong đó thuộc catalog của từng hãng, không đồng nhất với điều kiện của DAH JIN.

Trở lại với chính DAH JIN: khi chọn dây cách điện ba lớp cho các biến áp cách ly cỡ nhỏ của tầng lái cổng / bias, điều kiện sơ cấp có thể viện dẫn là cùng một bộ với §3: bốn loại nằm trong phạm vi đánh giá Annex J (IEC 62368-1), điện áp làm việc / điện áp đỉnh / tần số thử nghiệm theo tài liệu phê duyệt quy cách, đường kính dây ≤1.00 mm (sợi của TLW-B7S ≤0.30 mm), 130(B). Điều Anlage 200 ghi là tần số thử nghiệm; bài viết này không ngoại suy nó sang tần số chuyển mạch thực tế của SiC / GaN.

5. Tiêu chí kỹ thuật: phân tầng trước, rồi mới nói đến dây

Kết luận một trang cho kỹ sư nguồn / linh kiện từ, theo thứ tự "trước hết xếp linh kiện vào đúng tầng, rồi mới bàn có cần TIW hay không":

1. Đường công suất chính (PFC, LLC chính, cuộn cảm cộng hưởng / từ hóa): đi theo biến áp planar và dây Litz; cách ly sơ cấp / thứ cấp đạt được nhờ cách điện giữa các lớp PCB và thiết kế khoảng cách. Tầng này không phải chủng loại dây cách điện ba lớp đơn sợi, không cần và cũng không nên nghĩ đến TIW.
2. Biến áp cách ly cỡ nhỏ của nguồn phụ / chờ / bias và lái cổng: đây mới là biến áp cách ly quấn dây, và là vị trí của dây cách điện ba lớp. Muốn chọn TIW, hãy lấy điện áp làm việc thực tế, điện áp đỉnh và tần số thử nghiệm của biến áp đó, đối chiếu với điều kiện chứng nhận Annex J ghi trong tài liệu phê duyệt quy cách (và đường kính dây trong khoảng 0.10–1.00 mm, sợi của TLW-B7S trong khoảng 0.10–0.30 mm): nằm trong điều kiện thì chọn được, bất kỳ hạng mục nào vượt thì cần đánh giá riêng.
3. Không tính ngược, không ngoại suy: không tính ngược điểm làm việc của biến áp từ điện áp bus tủ rack (54 / 800 VDC); Annex L cho y tế (2 MOOP / 2 MOPP) có một bộ điều kiện riêng, chỉ gắn với TLW-BB và TLW-B7S, giá trị cũng theo tài liệu phê duyệt quy cách. Lớp phân nhánh đầu tiên khi chọn loại (B 130°C vs F 155°C) xem Hướng dẫn chọn dây cách điện ba lớp.