Maxim最新推出AI系统多相供电电源芯片组

提到人工智能（AI），大家都知道它的“ABC”三要素——即算法（Algorithm）、数据（Big data）和算力（Computing）——谁要是能够集齐这三张技术“拼图”，似乎就可以在AI时代无往而不利了。但是，在诸多设计创想落地之时，人们逐渐发现，还有一个掣肘AI应用的第四要素不容忽视，那就是能耗。

按照主流的体系布局，AI系统的计算和处理资源会根据需要部署在云端和边缘端。以云端的数据中心为例，作为AI体系的“大脑”，承担了海量数据的处理工作，包括基于大数据的模型训练以及需要较高算力支持的复杂推理，与之相对应，数据中心的能耗也相当可观。

有数据显示，到2025年数据中心能耗将占到全球能耗的33%，位居能耗占比的首席。而在中国，数据中心总耗电量在2017年就已达到1200-1300千瓦时——这个数字超过了三峡大坝和葛洲坝电厂发电量之和。预计到2025年，这个数字将会攀升至3842.2亿千瓦时。

如果对数据中心能耗进行更细致的分析，会发现直接用于数据处理的IT设备能耗会占到总能耗的50%以上。因此，如何将这部分能耗有效地控制和管理起来，也就成了应对AI系统能耗挑战的第一要务。

AI系统的电源管理挑战

削减AI系统能耗的思路无外乎有两个：一个是降低AI系统核心处理器的能耗，另一个则是从优化电源管理系统入手，提高AI核心处理器电源管理的效率。

对于前者来讲，无论是GPU、CPU、FPGA，还是异构计算架构，对低功耗的追求从来没有止步，但是由于AI对计算资源的消耗实在是惊人，加之摩尔定律已经越来越接近“天花板”，因此伴随着总体计算密度和强度的增加，在这方面可腾挪的空间越发局促。

因此，从电源管理入手，找到一个更优的解决方案，就显得尤为重要。而所谓“更优”，具体来讲，就是要应对以下几个AI系统中常见的电源管理挑战：

第一，为了支持高性能、高密度的计算，AI机器学习应用要使用更多的CPU、GPU和定制ASIC等处理器，相应的所需功率和电流水平也越来越高。

第二，所有计算性能的提升，都是要在相同的机架空间内实现的，功率密度也就相应地增加了，因此AI电源管理必须具有更高的效率，以及更佳的热性能。

第三，AI系统的功率更高、电流也更高，而处理器所需的电压却越来越低。在这样的趋势下，保持处理器供电电压稳定性的难度也会随之增大，这就对电源电压调节器的精度提出了更高的要求。

我们将上述的设计挑战，转化为对一个理想的AI数据中心电源管理系统的设计要求，就不难得出以下几个关键词：

高效率

通过一系列先进的电源管理功能，来实现更高的效率，这是首要的目标，因为面对巨大的能耗，效率每提高1%，总体节能成效都是显著的。

小体积

无论是通过提高电源管理芯片自身的集成度简化外围电路，还是通过效率的提升简化散热系统，都有助于电源系统空间的优化。

高可靠性

为了提升性能，新一代的AI处理器都会采用更小的特征尺寸、更低的工作电压，因此对于外部电路电流、电压、温度等扰动也更为敏感，这就使其需要更为完善的保护功能，以确保系统的可靠性。

灵活性

考虑到AI计算架构的多样化以及应用场景的多样化，用一套可裁剪、方便用户定制的电源解决方案来满足不同输出电流、不同规格尺寸的设计要求，也是一个重要的考量要素。

Maxim Integrated（以下简称Maxim）新近推出的AI系统多相供电电源芯片组，就是按照这样的设计要求打造的。该芯片组包括两颗芯片：用于AI处理器核供电的双输出稳压电源MAX16602和智能电源级IC MAX20790，整体方案支持60A至800A或更大功率的系统设计，同时能够提供高于95%的工作效率（在1.8V输出电压、200A负载条件下），此外在输出电容减小40%的同时仍然可以提供极佳的瞬态性能。

可以说，这是一款同时具有高效率和小尺寸特性，且各方面表现十分优秀的AI系统电源管理解决方案，适用于AI边缘计算以及数据中心云计算等系统的供电设计。

图1：Maxim推出的多相AI电源芯片组

AI电源芯片组解析

下面我们就来一起观察一下这款解决方案的技术细节。

图2展示了由MAX16602和MAX20790构成的完整的AI电源管理系统。其中，MAX16602是一款采用耦合电感技术和智能功率级的控制器IC；MAX20790则是一款高密度、灵活和可扩展的智能功率级IC，内置电流和温度传感器，动态响应能力出色，所需的外围元器件数量也很少。

图2：MAX16602和MAX20790电源芯片组应用电路

MAX16602双输出稳压器

我们先来看看MAX16602，它具有四个突出的优势特性。

一是高功率密度和效率。MAX16602在1.8V输出电压下，可以实现95.6%的峰值效率。该器件还集成了1.8V偏置电源，只需要一个很小的外部电感，采用QFM封装（7mm × 7mm），确保了整个方案的小尺寸。

二是采用了一系列高级电源管理功能。其中包括自主切相，正交电流再均衡（以实现瞬态相电流平衡），并且具有低静态电流，可提高轻载和待机效率。

三是通过PMBus进行遥测，实现了输入电源监测。具有数字可编程配置，输入电压、电流和功率监控，以及功率级温度监控和报告功能。

四是具有比较完善的保护特性。这些保护功能包括输入和偏置电源欠压保护、过流保护，以及关键故障指示引脚等。

此外，特别值得一提的是MAX16602还为设计开发提供了极大的灵活性。该控制器可支持两个独立的电源轨：一个电源轨为8个PWM输出，通过PWM并联，可控制多达16个相位；另一个电源轨为单相输出，可支持1个PWM。也就是说在设计开发时，该IC可支持从2相至16相的扩展性，以满足从60A至800A（或更高）的不同输出电流的要求。

图3：MAX16602的系统框图

MAX20790智能功率级IC

Maxim这款AI电源芯片组中的另一颗关键的器件是MAX20790，这是一款功能丰富的智能功率级IC，与Maxim的控制器（如MAX16602）配合使用，可实现高密度多相同步降压转换器功能。

MAX20790的性能优势包括：

紧凑的外形：高集成的单芯片封装，占板面积仅有24mm2，还支持用于热平衡的相电流导引（Current Steering）功能。

峰值效率高达95.6%：得益于单片集成和先进的封装技术，MAX20790支持较高的开关频率（300kHz至1.3MHz），与传统方案相比损耗显著降低。同时，切相和不连续传导模式（DCM）也可在大范围负载电流下实现效率的优化。

状态监测和故障报告：MAX20790通过控制器IC的PMBus提供准确温度和每相电流的监测数据以及故障报告，并可以由Fault_ID指示故障类型。

高级自我保护功能：包括加强的UVLO保护、VX短路和超温停机、快速过电流保护等。

图4：MAX20790的系统框图

（图源：Maxim）

完整的AI电源方案

不难看出，MAX16602和MAX20790都是经过了专门优化的电源管理器件，两者协同工作，更是能够充分发挥出各自的性能优势，进而构成一款满足设计要求的完整AI电源系统解决方案。

首先，得益于Maixm的耦合电感专利技术，MAX16602能够将开关频率降低50%，从而降低功率损耗，实现更高的效率。同时MAX20790单芯片集成方案消除了FET和驱动器之间的寄生电阻和寄生电感，也对效率的提升很有帮助。

其次，MAX20790采用单片集成和先进的90nm封装技术，自身的小型化优势就很明显；而且与竞争方案相比，芯片组输出电容的尺寸减小了40%，进一步有效降低了总体方案尺寸；此外，与采用分立式电感的竞争方案相比，Maxim的薄型耦合电感设计允许每相支持较高的饱和电流，有助于减少电源的工作相数，优化系统体积并降低总体成本。多因素综合影响，使得采用MAX16602和MAX20790芯片组实现的8相PWM方案的电路板布局宽度仅有50mm，而每相的峰值额定电流可高达88A。

再有，MAX16602可提供内部补偿和先进的控制算法，包括自主切相，以及可以对每一路PWM进行精细地调整、实现瞬态相电流平衡的正交电流再均衡技术；而MAX20790的相电流导引功能，也可以对热优先级与正交电流平衡进行补偿，以实现更佳的热性能。

总之，在上述各个特性的共同作用下，基于MAX16602和MAX20790的电源芯片组，可以打造出高密度、高效率、小尺寸、可裁剪的AI电源解决方案。

方案的快速评估

如果你希望快速上手，将MAX16602和MAX20790电源芯片组应用在AI系统中，解决AI应用中的电源管理“短板”，MAX16602CL8评估套件是一个不可或缺的工具。

MAX16602CL8评估套件是一块完全装配并经过测试的电路板，板上包括一颗MAX16602和八颗MAX20790，以及评估该芯片组所需的其他元器件，可产生8路PWM控制信号或相信号。这些元器件构成了一个8相同步降压转换器，可以将这款AI多相供电电源芯片组的特性全面、直观地呈现在开发者的面前。

图5：MAX16602CL8评估套件

最后总结一下：伴随着AI应用的部署和落地，高性能、高算力AI系统的电源管理也面临着新的挑战，整个系统留给AI电源设计的空间越来越有限，因此在极其有限的空间内如何提高功率密度成为设计的关键。为适应AI系统的这一要求，打造全新的电源管理解决方案势在必行。

Maxim的MAX16602和MAX20790电源芯片组就是这一趋势推动下的成功之作，其能够为GPU、FPGA、ASIC和xPU等AI硬件加速器供电，有效提高工作效率、减小方案尺寸，满足不同应用场景下不同设计规格的要求。

现在，来贸泽电子，你就可以便捷地获取到MAX16602CL8评估套件，马上体验这一创新的电源管理方案如何为你创新的AI应用提供有力的支撑。

原文标题：应对AI系统电源管理挑战，来看看Maxim的“芯”思路！

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审核编辑：彭菁