AI服务器机架供电架构解析：PSU、BBU 与 CBU 的设计逻辑及关键芯片方案

随着人工智能算力需求的持续增长，数据中心服务器功率密度快速提升，驱动供电架构向更高功率等级与更高可靠性演进。在这一过程中，PSU、BBU 与 CBU 逐步形成协同供电体系，对电源系统的效率、稳定性与系统集成能力提出更高要求。

围绕服务器供电架构的演进，本文重点解析 PSU 及 BBU、CBU 备电系统的设计逻辑与关键芯片需求。纳芯微基于供电与备电全链路，提供覆盖电流检测、电压采样、驱动控制、通信隔离及电源管理等环节的系统级芯片解决方案，支撑高功率服务器电源系统在效率与可靠性方面实现综合优化。

01

PSU迈向高压与高功率密度

核心供电单元

在数据中心供电体系中，服务器电源模块（PSU）负责将交流电转换为稳定直流电源。近年来，随着AI服务器功率需求的提升，PSU功率等级也持续升级：从早期3kW、5.5kW级服务器电源模块，逐步发展到面向AI与云计算时代数据与算力中心的8kW、12kW、18kW级别，并进一步提升至面向下一代AI服务器的单体30+kW级PSU。高功率密度电源正在成为新一代数据中心基础设施的重要组成部分。

随着功率等级的持续提升，大功率PSU输入形式也由传统单相交流变为了三相交流输入，输出电压也从传统的12V升上至48V（54V）或更高的HVDC电压（±400V或800V），以降低电流并改善系统热设计条件。

从系统结构来看，服务器PSU通常由功率因数校正（PFC）级和隔离DC/DC变换级构成。输入交流电首先在PFC级完成整流与功率因数校正，并建立稳定的高压直流母线（DC Link）；随后通过LLC谐振变换级实现高效率隔离变换，输出稳定的12V、48V（54V）或HVDC电压，为服务器负载供电。

随着功率密度要求的不断提升，PSU中的功率器件技术路线也在持续升级。宽禁带器件能够显著降低开关损耗，并支持更高开关频率，从而提升系统效率与功率密度。因此，PFC级逐步由传统Si MOSFET向SiC MOSFET演进，而LLC则开始越来越多地采用SiC或GaN器件。

在此类高功率电源系统中，除了功率器件本身，电流检测、电压采样以及栅极驱动等模拟与隔离器件同样是系统稳定运行的重要基础。

电流检测模块需要实时监测输入电流、谐振电流以及输出电流，以支持系统闭环控制与保护功能；电压检测模块用于实现母线电压与输出电压的精确采样；而隔离栅极驱动器则负责驱动Si、SiC或GaN功率器件，实现高速开关控制。

在 PSU中，输入侧、谐振侧、输出侧与备电支路对电流检测的带宽、隔离等要求不同，因此可根据具体节点选择分流器+检测放大器、隔离放大器、霍尔电流传感器等不同实现方式。

在电流检测方面，纳芯微提供包括NSM201x、NSM211x、NSM204x系列霍尔电流传感器，以及NSCSA21x、NSCSA24x系列电流检测放大器在内的多种方案，可满足高带宽与高精度电流监测需求，为电源控制环路提供稳定的反馈信号。

在高 dv/dt 开关环境下，隔离栅极驱动与隔离采样链路的 CMTI、延迟等特性将直接影响系统效率与稳定性。纳芯微提供多款隔离栅极驱动器，其中NSI6601、NSI6601M、NSI6601xE、NSI6801E系列单通道驱动器以及NSI6602V系列半桥驱动器，均可在高 dv/dt 环境下保持稳定驱动能力，适用于SiC与GaN功率器件的高速开关控制。

此外，在系统电压检测与反馈控制环节，纳芯微提供NSI1400、NSI1300、NSI1200C、NSI1312、NSI1311、NSI1611及NSI36xx系列隔离放大器，以及NSOPA9xxx、NSOPA8xxx、NSOPA610x系列运算放大器，可实现高精度电压采样，为系统控制器提供稳定的反馈信号。通过在电流检测、电压采样及驱动控制等关键节点进行协同设计，可进一步提升服务器 PSU 系统的整体效率与可靠性。

随着AI服务器功率持续提升，高功率、高效率服务器PSU将成为数据中心电源系统的重要发展方向。围绕功率器件驱动、隔离采样以及精密信号链等关键环节，高性能模拟与隔离芯片也将在下一代数据中心电源架构中发挥越来越重要的作用。

02

BBU与CBU

构建多层级备电体系的关键支撑

BBU通常由锂电池组和DC/DC电源模块组成。当市电或主电源出现中断时，BBU可在短时间内为服务器系统提供持续供电，通常可维持数分钟，以保障关键数据完成写入，并支持系统安全关机。机架级BBU的输出能力通常需要与对应机架PSU的供电等级相匹配。

在系统拓扑上，BBU中的DC/DC模块多采用非隔离双向变换结构，以实现电池充放电过程中的双向能量流动。常见实现方式包括多相Buck-Boost结构或四开关Buck-Boost拓扑，并由MCU或数字控制器实现电池管理与能量调度。

在实际数据中心系统中，BBU与CBU承担的角色有所不同。BBU主要用于应对电源中断场景，提供分钟级持续供电；CBU更偏“毫秒到秒级”的瞬态功率波动的吸收或补偿。

CBU通常采用超级电容作为储能介质。相比电池，超级电容具有更高功率密度、更快充放电速度以及更长循环寿命，更适合用于短时间功率补偿。

当服务器负载发生快速变化时，CBU可以在极短时间内释放或吸收能量，从而稳定系统母线电压。在部分应用场景中，CBU也可在短时间掉电情况下提供瞬态能量支撑，保障关键系统状态平稳过渡。

在系统架构上，CBU同样通过双向DC/DC模块实现超级电容与系统母线之间的能量交换，其拓扑结构通常与BBU类似，多采用Buck-Boost架构，并通过控制器进行动态调节。

在BBU与CBU系统中，需要对电池或超级电容的电流、电压以及系统运行状态进行实时监测，同时通过驱动电路控制功率器件实现能量转换。因此，电流检测、电压采样以及通信隔离等功能模块是系统稳定运行的重要基础。

针对上述需求，纳芯微提供多类关键器件解决方案。例如，NSM201x、NSM211x、NSM2311、NSM204x系列霍尔电流传感器，以及NSCSA21x、NSCSA24x系列电流检测放大器可用于电池充放电电流检测；NS800RT1137、NS800RT3025系列MCU可承担系统主控功能，并结合NSI822x、NSI823x、NSI824x、NIRS21、NIRS31系列数字隔离器及NSI1042、NSI1050 隔离 CAN 接口，实现系统通信与隔离控制。

在辅助电源（AUX power）部分，纳芯微提供覆盖反激与 Buck 拓扑的电源管理芯片，包括NSR28C4x、NSR284x、NSR2240x、NSR2260x系列反激电源芯片及即将发布的NSV2801/2系列，以及NSR1143x、NSR1103x系列 Buck 转换器，为控制、驱动、采样及通信模块提供稳定供电支撑，提升服务器供电系统的整体可靠性。

随着AI服务器功率规模不断提升，备电系统在数据中心供电架构中的作用也愈发关键，通过合理的系统设计与关键芯片协同应用，可以有效提升服务器备电系统的稳定性与安全性。