作者：Tom Curatolo，工业业务应用工程总监

高电流密度、超薄电源模块超越新一代系统需求

AI 处理器以低于 1V 的电压运行时，电流消耗却高达数千安培。这种前所未有的电流需求已使供电网络（PDN）成为系统的主要瓶颈。

流经 PCB 或基板铜电源层的每安培电流都会增加传导损耗和热管理难度，并且必须增大旁路电容以控制电压瞬变。传统的基于电压平均法的架构，例如中间母线架构（IBA）和多相降压稳压器，在负载较轻时尚可满足需求，但已无法满足当今电压低于 1V、电流达到千安级的要求。对于这些低压大电流应用，电流倍增方案比电压平均拓扑更具性能优势。

Vicor 分比式电源架构™（FPA™）重新定义电压调节与转换的发生位置，从而优化大功率 PDN，将电流倍增理念付诸实践。针对最严苛的应用场景，FPA 在负载点运用电流倍增理念，实现了传统多相方案无法比拟的高效率、电流密度、低噪声及负载瞬态响应性能。

供电架构的演进

随着近年来系统需求的不断提升，供电架构经历了多次演进。

最早采用的方案是集中式电源架构（CPA），它由单一电源生成所有电压，并将其分配至整个电路板。CPA 在低功耗系统中尚可运行，但当负载需要一系列更低电压、更大电流的电源时，它显得力不从心。具体而言，长距离铜走线上的配电损耗会降低系统效率，导致过热问题。

然后是分布式电源架构（DPA）。在这种架构中，设计人员将模块化“砖型”转换器放置在各负载附近，从而减少传导损耗并提高灵活性。DPA 解决了部分 CPA 效率低下问题，却占用了大量电路板空间，且难以满足快速瞬态响应需求。

中间母线架构（IBA）试图在效率与成本间取得平衡。在 IBA 中，一个隔离母线转换器将 48V 降压至 12V，此时中间母线转换器（IBC）可以采用固定比率类型，降压比为 1/4、1/6 或 1/8，具体取决于非隔离式负载点（niPOL）转换器所要求的中间母线阵列（参见图 1）。这种架构减少了功能冗余，初期改善了系统经济性。然而，当非隔离式负载点所用的多相降压转换器将电压从 12V 降至 1V 以下时，其占空比会受到限制，从而影响效率和瞬态性能。当负载电流升至数百安培时，系统需要大容量旁路电容来稳定电压轨，这导致尺寸和成本双双增加。

IBA 的扩展极限表明，单纯优化传统架构已然不足。要满足千安级电流要求，需要一种全新策略：在更高电压下进行稳压，随后在负载点直接实现电压变换与电流倍增。

值得注意的是，所有这些架构均基于电压平均理念，即先将中间母线降压至一个固定电压，再由后续转换器通过时间平均的方式，将该电压降至 1V 以下。

电流倍增与分比式电源的强大优势

在低电压、大电流应用中，电流倍增法相比电压平均法具有显著优势。电流倍增能将大电流直接输送至负载点，同时保持供电网络处于更高电压、更低电流的状态，从而最大限度地降低 I²R 损耗，并提升整体 PDN 效率。

分比式电源架构引入了一种全新方法，为高功耗电子系统实现电流倍增。FPA 并不将所有转换与稳压功能集中在负载点，而是将这些阶段分离或分解为两个独立的电源模块功能，从而优化电流密度、效率及低噪声性能（参见图 2）。

第一阶段是前置稳压器模块（PRM），这是一款零电压开关式升降压稳压器。PRM™ 产生精准稳压的“分比式母线”电压，该电压基于所选下游电压转换模块（VTM）的转换比进行设定。例如，当目标负载电压为 0.9V，且所选 VTM™ 的 K 因子为 1/48 时，PRM 的输出电压将调节（设定）至约 43.2V。PRM 通过这种方式保证向负载输送所需的精准电压，同时以接近 99% 的峰值效率运行。

VTM 是一款固定比率正弦振幅转换器（SAC），在负载点执行电压转换与电流倍增。VTM 在功能上类似于 DC-DC 变压器，在降低稳压母线电压的同时按比例增大输出电流。以 1/48 转换比率为例，48V 电压下输入 VTM 的 1 安培电流，可在 1V 电压下产生 48A 输出电流。VTM 的效率高达 97%，瞬态响应为亚微秒级，输出阻抗极低，减少了对大容量旁路电容阵列的需求。

综上所述，这些优势使得 FPA 具有更高功率密度，更快速、更高效，远超传统供电方案。

电流倍增专为高性能计算而设计

高性能计算平台是对供电系统要求最为严苛的应用场景之一。现代计算平台通常在极低电压下消耗 500A 至 2000A 电流。如果尝试采用传统方案通过主板传输如此大的电流，往往会导致难以接受的传导损耗、过大的电压跌落以及 PCB 铜层上的局部热斑。

分比式电源架构通过将稳压环节移至上游，并将电流倍增置于处理器封装本身来解决此问题（参见图 3）。PRM 将分比式母线电压稳压至合适值（通常接近 48V），并以相对较低的电流在 PDN 中配电。处理器旁的 VTM 将分比式母线转换为低于 1V 的工作电压轨，同时将电流倍增至所需的数百或数千安培。这种紧凑布局可减少配电损耗、最大限度降低电感效应，并确保处理器获得纯净、稳定的电源。

瞬态响应同样至关重要。AI 与 HPC 工作负载会因 xPU 内核的启停导致电流快速波动。VTM 的响应时间小于 1 微秒（典型值 400 纳秒），无需超大电容阵列即可实现瞬时供电，从而提升计算稳定性与电源利用效率。

FPA 非常适合垂直供电（VPD）配置，因为电流倍增器 VTM 的厚度极薄，其封装热阻极低。同时，它们具备高电流密度，因此相较于其他方案，其需要更少的 VTM 元件即可为高性能处理器供电。这使电流倍增器 VTM 能够与尺寸缩减的去耦电容阵列共享处理器下方的有限空间。

对众多系统架构师而言，FPA 是高性能计算应用的理想供电解决方案，因为它直接解决了定义市场需求的规模、速度和密度方面的挑战。

新太空领域拥抱电流倍增的优势

低轨/中轨（LEO/MEO）卫星的供电网络，需要在效率与低噪声之间取得平衡，同时具备耐辐射与耐热循环能力。有效载荷电子设备（如网络 ASIC 和 FPGA）需要多路低于 1V 的大电流低压电源轨，且必须在有限的质量和体积预算内实现，几乎没有余量来容纳过大的电源硬件。传统架构采用大面积铜箔层和笨重的电容，根本无法扩展来满足这些要求。

FPA 提供了一种不同的方案。太阳能电池阵列或电池提供的 100V 母线电压，经固定比率母线转换器（即一款 BCM）转换为 33V（参见图 4）。升降压 PRM 将此中间电压稳压为精确的分比式母线电压，而数字电子设备旁的 VTM 则将该母线电压降压，并将电流倍增至所需电源轨。通过在负载点进行电流转换，FPA 最大限度地减少了配电损耗并提升了功率密度。

基于 FPA 构建的卫星供电网络还应集成冗余与耐辐射特性，以增强可靠性。例如，搭载双动力系统的电源模块可在单路径故障时持续运行，而耐辐射、软开关设计则可有效缓解在轨环境中常见的单粒子效应。Vicor 公司是目前唯一能提供兼具这些特性与性能水平的耐辐射电流倍增模块的公司。

ATE 采用电流倍增技术突破吞吐量极限

自动测试设备（ATE）是 FPA展现卓越性能的另一领域。在此类应用中，用于验证芯片的测试头需满足三大严苛要求：输出电流超过 100A、电流转换速率约为 7.5A/µs、运行噪声指标极低。传统的多相降压转换器如果不依赖大容量的电容阵列，就无法维持如此快速的瞬态响应，这不仅限制了并行测试的芯片数量，还推高了整体系统成本。此外，它们的噪声也很大。

分比式电源架构提供了一套更高效的解决方案（参见图 5）。PRM 在上游以更高电压完成精准稳压，并将此输出分配至测试系统内的分比式母线。位于测试插座附近的 VTM 将母线电压降压，并在负载点直接倍增电流。由于 VTM 是无控制环路延迟的固定比率转换器，其响应突发电流需求的时间不到 1 微秒，并使测试仪无需依赖过大电容即可提供精准电流。

FPA 还具备电容倍增效应，即 VTM 输入端的电容以 K 因子平方倍关系等效倍增至输出端。由于所需物理电容大幅减少，设计师可实现测试头的轻量化与紧凑化。通过精准、稳定且快速的大电流输送，FPA 提升了芯片验证的吞吐量，使操作人员能够在接近真实的动态工况下测试处理器、FPGA 和 ASIC。

当今最严苛的应用需要电流倍增方案

对于低电压、大电流应用，采用电流倍增方案是设计高性能 PDN 的合理选择。事实证明，Vicor 分比式电源架构是当今最严苛电源系统设计的最佳选择。该架构提供了卓越的功率密度、响应速度与灵活的设计选项。随着系统复杂度与电流需求的持续攀升，传统电压平均架构的短板将日益凸显。FPA 电流倍增方案提供了一条成熟的前进路径，可实现更高效、更高功率密度且可扩展的供电。

Tom Curatolo 是 Vicor 工业业务应用工程团队的总监，同时也为航空航天与国防市场提供支持。Tom 在高科技电子行业拥有超过 40 年的丰富经验，在电源电子及电源架构领域具有专业技术。他于 Vicor 任职 30 多年，主要从事应用工程工作，在支持 Vicor 产品服务的不同客户群体和市场方面拥有极其丰富的经验。Tom 于 1985 年获得伍斯特理工学院的电气工程学士学位，工作地点在马萨诸塞州的安多弗市。

Tom Curatolo，工业业务应用工程总监