AI时代的无源元件挑战和解决方案-电子发烧友网

如今在科技圈，超火的话题非AI（人工智能）莫属。特别是随着生成式AI的兴起，AI能力的进化明显加速，隔不了多久新来的“后浪”就会让原有的技术消逝在沙滩上。

所谓内行看门道，明眼人都知道，这一场AI狂欢背后，是巨大算力的托举，而算力的背后则是对“电力”更为迫切的需求。

据国际能源署的测算，在全球范围内，作为AI算力核心基础设施的数据中心的能耗，约占全球总电量的1%至1.5%。而随着AI技术的进步，有专家预测在未来十到二十年，这个比例可能会提高到20-30%，且随着时间的推移将继续增长。将AI比喻成“能耗巨兽”并不为过。

这种宏观层面的能源挑战自然会投射到微观层面。具体到承载AI算力的数据中心，有研究显示，如今AI服务器消耗的能源是传统系统的三倍，某些应用中AI加速器件的电力需求会高达1,000A！考虑到AI在预训练时需要使用数万甚至数十万级的加速卡集群，这就使得许多新的数据中心已经达到了相当于一座小型城市的能耗级别。

打造如此高密度、高性能的算力基础设施，仅通过在原有技术基础上打补丁，显然是行不通的。因此，想要迈入AI时代，从系统架构到元器件层面的全面创新势在必行。

AI时代的无源元件挑战

在AI推动的技术创新浪潮中，无源元件自然不会缺席，特别是在满足日益攀升的数据中心能耗需求方面，更是发挥着举足轻重的作用。

从上文的分析中我们不难看出，AI时代的无源元件面临着来自三方面的技术挑战：

大功率

这意味着无源元件需要在相关性能上更上层楼，具备支持更大电流、更高电压的能力。同时，更大的电流无疑会带来更大的I2R损耗，这就要求在功率链路上使用具有等效电阻更低的无源元件（比如更低ESR的电容器、更低DCR的电感器），以尽可能减少能量耗散。

小尺寸

在单位空间内集成更多的AI加速卡，是衡量未来数据中心的一个重要指标。这就要求在PCB 电路设计中选择“小身材”的无源元件。而小尺寸和大功率这两个特性往往又是相互制约的，这就催生出新一代的无源元件，能够为紧凑的空间应用打造出高功率密度的解决方案。

高可靠

高功率密度应用场景，不可避免地会带来更高的工作温度和更具挑战性的工作环境，因此热管理是数据中心设计中至关重要的一环。除了花重金打造更高效的数据中心散热系统外，选择热性能更出色、能够在极宽温度范围和复杂环境中工作，提供稳定性能的高可靠性元器件，也是一个重要考量。

当然，大功率、小尺寸、高可靠……这些在AI时代肉眼可见的需求，对于成熟的无源元件行业来讲，每个特性上一个细微的进步，都需要有材料、架构以及工艺上的创新作为驱动。

那么，想要大踏步地迈进AI时代，无源元件需要哪些技术驱动力？下文将以国巨集团旗下的KEMET公司的几款代表性的产品为例，带大家一起做一次深入的探究。

材料创新，赋能大电流功率电感器

在为AI基础设施中的加速器设计电源时，功率电感是不可或缺的一款磁性元件。如何在支持更高电流的同时，更大限度地减少能量损失并提高整体效率，是摆在大功率电感面前关键的挑战。

在衡量功率电感性能时，高饱和磁通密度（Bs）和低矫顽力（Hc）是两个核心指标：高Bs的电感器有助于处理更强的磁场而不会饱和，这意味着其能够支持更大的电流并存储更多的能量，使得高功率密度设计成为可能；而低Hc则意味着电感需要更少的能量来磁化和退磁，从而减少能量损失并提高整体效率。然而，在使用传统磁芯材料制造功率电感时，高Bs和低Hc这两个特性往往不可兼得，工程师不得不因为权衡和折中，而影响到电源系统的性能表现。

YAGEO通过材料创新，推出了热成型FeBPCu纳米晶体材料，其可以同时实现低至23A/m的矫顽力和1.55T的饱和磁通密度。与传统的磁芯材料相比，这种纳米合金无疑是制造高效率、高性能功率电感器的更好选择。

图1：FeBPCu纳米晶体材料与传统磁芯材料性能比较（图源：YAGEO/KEMET）

KEMET的TPI大功率电感器就是基于这种创新磁芯材料而打造的一款大电流、低损耗磁性元件，其具有低自发热和DCR的特性，一圈贯通结构的线圈设计进一步优化了大电流下的效率表现。

这些SMD大电流功率电感器提供150nH至230nH的额定电感，具有很宽的工作温度范围（-40°C至125°C，在50A额定电流条件下），而且仅有±10%的电感容差、±5%的直流电阻容差，可以为高开关频率应用提供出色的性能和可靠性，非常适合服务器、存储、超级计算机、分布式电源、负载点（POL）DC-DC电源以及其他高开关频率应用。

图2：KEMET大电流功率电感器

（图源：YAGEO/KEMET）

创新架构，打造低ESR聚合物钽电容器

在无源元件中，电容器是应用极为广泛的一个品类。具体到AI基础设施应用中，能够在有限的电路板空间内，满足功率效率要求的电容器，无疑是理想之选。而我们所熟悉的传统电容产品，似乎与这一“理想”都有差距。好在，KEMET的KO-CAP聚合物钽电容器来了！

顾名思义，“聚合物钽电容器”是在继承了传统钽电容器高体积效率（单位体积内的容值）和高稳定性特点的基础上，通过元件结构上的创新，造就出的一种特色鲜明的产品。

具体来讲，KO-CAP聚合物钽电容器和其它类别的钽电容器一样，其Ta2O5介质层是生成在由钽粉颗粒烧结而成的金属块上。它们的不同之处在于，KO-CAP其以一层高导电率的聚合物作为负极覆盖在介质层表面，这种导电聚合物的显著优点之一就是大大降低了电容器的ESR（可以低至5〜20mΩ），远远低于传统钽电容器的ESR数值（200~2,000mΩ）。极低的ESR能够降低纹波电压，允许通过更大的纹波电流。特别是在高频下，这种聚合物钽电容器的阻抗曲线呈现出近似理想电容器的特性，电容量非常稳定。

不难看出，KEMET的KO-CAP聚合物钽电容器融合了固态电解电容器与导电聚合物阴极的优点，在一个表面贴装封装中结合了多层陶瓷电容器（MLCC）的低ESR、铝电解电容器的高容值、钽电容器的高体积效率等多重优势，是在高频率下实现更低ESR和更好性能稳定性的理想解决方案，是AI驱动的服务器和云基础设施应用的不二之选。

图3：KO-CAP聚合物钽电容器

（图源：YAGEO/KEMET）

工艺创新，大幅提升PCB空间利用率

在电容器领域，MLCC以其小型化、高容量、高可靠性和低ESR等特性，颇受工程师青睐，应用日趋广泛。在AI驱动的应用中，自然也少不了其身影。特别是其紧凑的外形，为空间受限的应用提供了极大的设计灵活性。

而你是否想象过，利用同样的PCB面积，大幅提升MLCC容值和性能，更大限度地提升空间利用率？KEMET的KONNEKT高密度密封技术就能帮你轻松实现这一目标。

图4：基于KONNEKT技术的MLCC产品

（图源：YAGEO/KEMET）

KEMET的KONNEKT技术其实并不神秘，从上图大家就能一目了然。没错，就是利用创新的CuSn瞬态液相烧结（TLPS）材料，将多个MLCC单元粘合在一起，连接成一个整体的表面贴装元件。其中，TLPS材料将低熔点金属或合金与高熔点金属或合金进行低温反应，能够形成高导电性键合材料。

这种高密度的封装工艺技术，无需使用金属框架即可将各个组件粘合在一起，有利于降低ESR、ESL和对电容器的热阻，而且与标准MLCC回流焊表面贴装工艺兼容，可谓是一举多得。

图5：KONNEKT高密度封装技术示意图

（图源：YAGEO/KEMET）

正是由于这种创新封装工艺具有如此鲜明的优势，KEMET已将KONNEKT技术广泛应用在MLCC中，形成了丰富的产品组合，包括2.4nF至20uF电容范围、25VDC至3kVDC额定电压、I类（C0G、U2J）和II类（X7R）电介质、多种外形规格（EIA 1812、2220和3640），还包括AEC-Q200车规级产品。这也为不断拓展的AI应用中的元件选型提供了便利。