作者：Tom Curatolo，工業業務應用工程總監

高電流密度、超薄電源模組超越新一代系統需求

AI 處理器以低於 1V 的電壓運行時，電流消耗卻高達數千安培。這種前所未有的電流需求已使供電網路（PDN）成為系統的主要瓶頸。

流經 PCB 或基板銅電源層的每安培電流都會新增傳導損耗和熱管理難度，並且必須增大旁路電容以控制電壓瞬變。 傳統的基於電壓平均法的架構，例如中間母線架構（IBA）和多相降壓穩壓器，在負載較輕時尚可滿足需求，但已無法滿足當今電壓低於 1V、電流達到千安級的要求。 對於這些低壓大電流應用，電流倍增方案比電壓平均拓撲更具效能優勢。

Vicor 分比式電源架構™（FPA™） 重新定義電壓調節與轉換的發生位置，從而優化大功率 PDN，將電流倍增理念付諸實踐。針對最嚴苛的應用場景，FPA 在負載點運用電流倍增理念，實現了傳統多相方案無法比擬的高效率、電流密度、低雜訊及負載瞬態回應效能。

供電架構的演進

隨著近年來系統需求的不斷提升，供電架構經歷了多次演進。

最早採用的方案是集中式電源架構（CPA），它由單一電源生成所有電壓，並將其分配至整個電路板。CPA 在低功耗系統中尚可運行，但當負載需要一系列更低電壓、更大電流的電源時，它顯得力不從心。 具體而言，長距離銅走線上的配電損耗會降低系統效率，導致過熱問題。

然後是分佈式電源架構（DPA）。 在這種架構中，設計人員將模組化“磚型”轉換器放置在各負載附近，從而减少傳導損耗並提高靈活性。DPA 解决了部分 CPA 效率低下問題，卻佔用了大量電路板空間，且難以滿足快速瞬態回應需求。

中間母線架構（IBA）試圖在效率與成本間取得平衡。在 IBA 中，一個隔離母線轉換器將 48V 降壓至 12V，此時中間母線轉換器（IBC）可以採用固定比率類型，降壓比為 1/4、1/6 或 1/8，具體取決於非隔離式負載點（niPOL）轉換器所要求的中間母線陣列（參見圖 1）。 這種架構减少了功能備援，初期改善了系統經濟性。然而，當非隔離式負載點所用的多相降壓轉換器將電壓從 12V 降至 1V 以下時，其占空比會受到限制，從而影響效率和瞬態效能。 當負載電流升至數百安培時，系統需要大容量旁路電容來穩定電壓軌，這導致尺寸和成本雙雙新增。

IBA 的擴充極限表明，單純優化傳統架構已然不足。要滿足千安級電流要求，需要一種全新策略：在更高電壓下進行穩壓，隨後在負載點直接實現電壓變換與電流倍增。

值得注意的是，所有這些架構均基於電壓平均理念，即先將中間母線降壓至一個固定電壓，再由後續轉換器通過時間平均的方式，將該電壓降至 1V 以下。

電流倍增與分比式電源的强大優勢

在低電壓、大電流應用中，電流倍增法相比電壓平均法具有顯著優勢。 電流倍增能將大電流直接輸送至負載點，同時保持供電網路處於更高電壓、更低電流的狀態，從而最大限度地降低 I²R 損耗，並提升整體 PDN 效率。

分比式電源架構引入了一種全新方法，為高功耗電子系統實現電流倍增。FPA 並不將所有轉換與穩壓功能集中在負載點，而是將這些階段分離或分解為兩個獨立的電源模組功能，從而優化電流密度、效率及低雜訊效能（參見圖 2）。

第一階段是前置穩壓器模組（PRM），這是一款零電壓切換式升降壓穩壓器。PRM™ 產生精准穩壓的“分比式母線”電壓，該電壓基於所選下游電壓轉換模組（VTM）的轉換比進行設定。例如，當目標負載電壓為 0.9V，且所選 VTM™ 的 K 因數為 1/48 時，PRM 的輸出電壓將調節（設定）至約 43.2V。PRM 通過這種方式保證向負載輸送所需的精准電壓，同時以接近 99% 的峰值效率運行。

VTM 是一款固定比率正弦振幅轉換器（SAC），在負載點執行電壓轉換與電流倍增。VTM 在功能上類似於 DC-DC 變壓器，在降低穩壓母線電壓的同時按比例增大輸出電流。以 1/48 轉換比率為例，48V 電壓下輸入 VTM 的 1 安培電流，可在 1V 電壓下產生 48A 輸出電流。VTM 的效率高達 97%，瞬態回應為亞微秒級，輸出阻抗極低，减少了對大容量旁路電容陣列的需求。

綜上所述，這些優勢使得 FPA 具有更高功率密度，更快速、更高效，遠超傳統供電方案。

電流倍增專為高性能運算而設計

高性能運算平臺是對供電系統要求最為嚴苛的應用場景之一。現代運算平臺通常在極低電壓下消耗 500A 至 2000A 電流。 如果嘗試採用傳統方案通過主機板傳輸如此大的電流，往往會導致難以接受的傳導損耗、過大的電壓跌落以及 PCB 銅層上的局部熱斑。

分比式電源架構通過將穩壓環節移至上游，並將電流倍增置於處理器封裝本身來解决此問題（參見圖 3）。PRM 將分比式母線電壓穩壓至合適值（通常接近 48V），並以相對較低的電流在 PDN 中配電。處理器旁的 VTM 將分比式母線轉換為低於 1V 的工作電壓軌，同時將電流倍增至所需的數百或數千安培。這種緊湊佈局可减少配電損耗、最大限度降低電感效應，並確保處理器獲得純淨、穩定的電源。

瞬態回應同樣至關重要。AI 與 HPC 工作負載會因 xPU 內核的啟停導致電流快速波動。VTM 的回應時間小於 1 微秒（典型值 400 納秒），無需超大電容陣列即可實現暫態供電，從而提升運算穩定性與電源利用效率。

FPA 非常適合垂直供電（VPD）配寘，因為電流倍增器 VTM 的厚度極薄，其封裝熱阻極低。同時，它們具備高電流密度，因此相較於其他方案，其需要更少的  VTM 元件即可為高性能處理器供電。這使電流倍增器 VTM 能够與尺寸縮減的去耦電容陣列共亯處理器下方的有限空間。

對眾多系統架構師而言，FPA 是高性能運算應用的理想供電解決方案，因為它直接解决了定義市場需求的規模、速度和密度方面的挑戰。

新太空領域擁抱電流倍增的優勢

低軌/中軌（LEO/MEO）衛星的供電網路，需要在效率與低雜訊之間取得平衡，同時具備耐輻射與耐熱循環能力。 有效載荷電子設備（如網路 ASIC 和 FPGA）需要多路低於 1V 的大電流低壓電源軌，且必須在有限的質量和體積預算內實現，幾乎沒有餘量來容納過大的電源硬體。 傳統架構採用大面積銅箔層和笨重的電容，根本無法擴充來滿足這些要求。

FPA 提供了一種不同的方案。 太陽能電池陣列或電池提供的 100V 母線電壓，經固定比率母線轉換器（即一款 BCM）轉換為 33V（參見圖 4）。 升降壓 PRM 將此中間電壓穩壓為精確的分比式母線電壓，而數位電子設備旁的 VTM 則將該母線電壓降壓，並將電流倍增至所需電源軌。 通過在負載點進行電流轉換，FPA 最大限度地减少了配電損耗並提升了功率密度。

基於 FPA 構建的衛星供電網路還應集成備援與耐輻射特性，以增强可靠性。例如，搭載雙動力系統的電源模組可在單路徑故障時持續運行，而耐輻射、軟切換設計則可有效緩解在軌環境中常見的單粒子效應。 Vicor 公司是現時唯一能提供兼具這些特性與效能水准的耐輻射電流倍增模組的公司。

ATE 採用電流倍增技術突破輸送量極限

自動測試設備（ATE）是 FPA 展現卓越性能的另一領域。 在此類應用中，用於驗證晶片的測試頭需滿足三大嚴苛要求：輸出電流超過 100A、電流轉換速率約為 7.5A/µs、運行雜訊名額極低。 傳統的多相降壓轉換器如果不依賴大容量的電容陣列，就無法維持如此快速的瞬態回應，這不僅限制了並行測試的晶片數量，還推高了整體系統成本。此外，它們的雜訊也很大。

分比式電源架構提供了一套更高效的解決方案（參見圖 5）。PRM 在上游以更高電壓完成精准穩壓，並將此輸出分配至測試系統內的分比式母線。位於測試插座附近的 VTM 將母線電壓降壓，並在負載點直接倍增電流。由於 VTM 是無控制環路延遲的固定比率轉換器，其響應突發電流需求的時間不到 1 微秒，並使測試儀無需依賴過大電容即可提供精准電流。

FPA 還具備電容倍增效應，即 VTM 輸入端的電容以 K 因數平方倍關係等效倍增至輸出端。由於所需物理電容大幅减少，設計師可實現測試頭的輕量化與緊湊化。通過精准、穩定且快速的大電流輸送，FPA 提升了晶片驗證的輸送量，使操作人員能够在接近真實的動態工况下測試處理器、FPGA 和 ASIC。

當今最嚴苛的應用需要電流倍增方案

對於低電壓、大電流應用，採用電流倍增方案是設計高性能 PDN 的合理選擇。 事實證明，Vicor 分比式電源架構是當今最嚴苛電源系統設計的最佳選擇。 該架構提供了卓越的功率密度、響應速度與靈活的設計選項。 隨著系統複雜度與電流需求的持續攀升，傳統電壓平均架構的短板將日益凸顯。FPA 電流倍增方案提供了一條成熟的前進路徑，可實現更高效、更高功率密度且可擴充的供電。

Tom Curatolo 是 Vicor 工業業務應用工程團隊的總監，同時也為航空航太與國防市場提供支援。Tom 在高科技電子行業擁有超過 40 年的豐富經驗，在電源電子及電源架構領域具有專業技術。他於 Vicor 任職 30 多年，主要從事應用工程工作，在支持 Vicor 產品服務的不同客戶群體和市場方面擁有極其豐富的經驗。Tom 於 1985 年獲得伍斯特理工學院的電氣工程學士學位，工作地點在麻塞諸塞州的安多弗市。

Tom Curatolo， 工業業務應用工程總監