半導體材料/配電架構同步進化 電源系統設計進入新時代在Google宣布將陸續導入48伏特(V)伺服器及配電基礎架構，打造更節能環保的資料中心後，48V電源架構跟著引發諸多討論。然而，部分應用設計早已迫不及待，有意採用更接近60V的配電架構，以便降低配電損耗，增進系統能源效率。Google更以380V作為配電技術發展的長期目標。
48V高壓配電趨勢成形 60V以上蓄勢待發
Vicor行銷業務副總裁Robert Gendron表示，Google宣布將把自家伺服器的配電系統陸續升級到48V架構後，高壓配電架構成為業界關注的焦點。根據Google的測試結果，與12V配電相比，48V配電可減少系統功耗達30%以上，其省電效果十分顯著，而且還能降低系統散熱需求、使用更低成本的電源線等，好處很多。
不過，從電源設計的角度來看，藉由提升配電電壓來增進系統的能源效率，其實是眾所皆知的概念。但理論歸理論，如何克服實作上的困難才是關鍵。要在有限的空間內將48V電源轉換成CPU、GPU所使用的3.3V、1.8V、0.8V電源，同時還要維持與12V轉換一致的效率，其難度遠比從12V轉換要高。專注在小型化、高效率電源模組研發的Vicor，也因此被Google選為主要電源合作夥伴(圖1)。
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| 圖1 為了在有限空間內將48V輸入轉換為負載點電壓，高整合模組是必然趨勢。 |
簡言之，只要市場上有模組供應商能解決相關電源轉換難題，大功率系統改用48V甚至更高壓配電架構的誘因十分明顯。因此，目前部分Vicor客戶已經將配電架構升級到54V，藉此進一步提升系統的能源效率。
Gendron認為，短期看來，由於安規限制，60V會是高壓配電的發展門檻。在60V以下的配電線路因為電壓相對低，因此大多不需要通過額外的安規檢測，但若配電線路的電壓超過60V，在許多應用領域中，就得通過對應檢測。
但若把眼光放得更遠，隨著技術成熟、相關生態系統逐漸到位，60V不會是高壓配電架構不可逾越的門檻。事實上，單就伺服器應用來說，根據Google的規畫，伺服器採用380V配電架構才是其終極目標，48V等規格只是其發展過程中所留下的腳印。
GaN FET後勢看好 能源轉換效率再升級
除了配電設計架構的進化外，近幾年半導體業者陸續研發GaN、碳化矽(SiC)等新材料FET，也將對未來的電源設計帶來正面幫助。其中Gendron特別看好GaN FET的發展前景。
Gendron認為，要評價一個新技術的發展潛力，可以從資源投入與性能的角度來衡量。如果一款新技術需要投入更多資源來取得更好的效能，該技術或許會有一定的應用需求，但其發展潛力肯定不如投入資源更少，但可以獲得相同性能的新技術。SiC材料就屬於前者，雖然其性能很好，但成本高昂是一大問題；GaN則是後者，其成本相對低廉，但性能表現不俗，未來肯定會成為FET的一大主流。
或許是英雄所見略同，看好GaN成長商機，德州儀器(TI)於近期推出一款功率可達600瓦的GaN FET功率級工程樣本–LMG3410。與基於矽材料的FET相比，此一產品與該公司的類比和數位電力轉換控制器相結合，能讓設計人員開發出尺寸更小、效率及效能更高的設計。
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| 圖2 德州儀器Broad Market Power副總裁暨總經理Hagop Kozanian指出，相較於以矽為基礎的FET，GaN FET在性能上有許多明顯優勢。 |
德州儀器Broad Market Power副總裁暨總經理Hagop Kozanian(圖2)表示，伺服器/通訊之交流-直流(AC-DC)供應及機架式直流電源分配(Racl-mount DC Power Distribution)兩大應用市場，將是驅使GaN FET成長的關鍵因素。
其原因在於，採用矽製造的金屬氧化物半導體場效電晶體(MOSFET)造成的切換損耗較高，因此無法負荷較高的切換頻率；但若採用GaN，因其本身特性可大幅減少熱的產生，所造成的切換損耗也會較小。
因此，隨著資料中心與通訊電源設備建置日增，為減少功率損耗，將會有越來越多客戶採用GaN FET，進而帶動GaN FET成長。
據悉，新推出的LMG3410借助其整合式驅動器和零反向恢復電流等特性提供可靠的效能，特別是在硬開關(Hard-switching)應用中更是如此，能夠大幅降低高達80%的開關損耗；而與獨立的GaN FET不同，該產品針對溫度、電流和欠壓閉鎖(UVLO)的故障保護整合了內建智能機制。
Kozanian進一步指出，LMG3410並非只是單純的GaN FET，還結合該公司的GaN FET整合驅動器(Integrated Driver)。結合驅動器之後，該產品可實現保護作用，包括過電流(Over-current)或過熱(Over-temperature)保護，同時更能減少電壓應力和電磁干擾。此一作法目前於業界較為少見，大部分供應商都還是單獨供應GaN FET解決方案，並未將驅動器整合起來。
