Auswahl von Leistungsinduktivitäten für die Spannungsregelung von KI-Servern

Die Anforderungen an die Stromversorgung von KI-Servern steigen zunehmend an dem Punkt, an dem die elektrische Energie den Prozessor erreicht.

Moderne CPUs, GPUs und KI-Beschleuniger arbeiten mit relativ niedrigen Kernspannungen bei gleichzeitig hohem Stromverbrauch. Ihre Stromversorgungsschaltungen müssen diesen Strom über kompakte Spannungsreglermodule (VRMs) liefern, häufig unter Verwendung mehrphasiger Schaltnetzteile.

In diesen Schaltungen ist die Leistungsinduktivität mehr als nur ein passives Bauteil, das einen Nenninduktivitätswert erfüllt. Sie beeinflusst die Stromwelligkeit, die Leitungsverluste, das magnetische Verhalten, den Temperaturanstieg und das Ansprechverhalten des Reglers auf veränderliche Lastbedingungen.

Mit zunehmender Leistungsdichte von Servern ist die Auswahl der Leistungsinduktivität zu einem wichtigen Bestandteil der Spannungsreglerentwicklung geworden, insbesondere dort, wo Ingenieure Strombelastbarkeit, Wirkungsgrad, thermische Grenzwerte und Platzbedarf auf der Leiterplatte in Einklang bringen müssen.

Wo Leistungsinduktivitäten in KI-Server-Stromkreisen ihren Platz finden

Ein typischer Server-Strompfad umfasst mehrere Stufen zwischen der Stromversorgung und dem Prozessor.

Auf Platinenebene wandelt ein Spannungsregler eine mittlere Versorgungsspannung in die niedrigere Spannung um, die von einer CPU, GPU oder einem anderen Hochleistungsgerät benötigt wird. In einem Schaltregler speichert und gibt die Induktivität beim Schalten magnetische Energie ab und trägt so zur Steuerung des an die Last gelieferten Stroms bei.

KI-Server nutzen üblicherweise eine mehrphasige Spannungsregelung, um den Strom auf mehrere Phasen zu verteilen. Jede Phase verfügt über einen eigenen Schaltpfad und ein zugehöriges induktives Element; die Phasen arbeiten zusammen, um den benötigten Laststrom zu liefern.

Diese Anordnung ermöglicht die Verteilung elektrischer und thermischer Belastungen auf mehrere Komponenten. Zudem bietet sie dem Regler mehr Flexibilität bei der Steuerung von Restwelligkeit und der Reaktion auf Änderungen der Prozessorlast.

Die genaue Topologie hängt von der Prozessorplattform, dem Spannungsregler und den Anforderungen an die Stromversorgung ab. Einige Designs verwenden auch gekoppelte Induktoren- oder Transinduktor-Spannungsregler, einschließlich TLVR, um das Stromverhalten unter anspruchsvollen Lastbedingungen zu verbessern.

Für Ingenieure ist es wichtig zu beachten, dass die Induktivität als Teil des Reglerschaltkreises und nicht als isoliertes Bauteil betrachtet werden muss.

Die Induktivität muss zum Reglerdesign passen.

Die Induktivität beeinflusst die Geschwindigkeit, mit der sich der Strom während jedes Schaltzyklus ändert.

In einem Schaltregler trägt die Induktivität zur Begrenzung der Stromwelligkeit bei und unterstützt das Regelverhalten des Reglers. Die erforderliche Induktivität hängt von Faktoren wie Eingangs- und Ausgangsspannung, Schaltfrequenz, Topologie und der zulässigen Stromwelligkeit ab.

Ein höherer Induktivitätswert kann unter bestimmten Betriebsbedingungen die Stromwelligkeit verringern, kann aber auch das Einschwingverhalten, die Bauteilgröße und die erreichbare Betriebsfrequenz beeinflussen.

Ein niedrigerer Induktivitätswert ermöglicht schnellere Stromänderungen, kann aber den Reststrom erhöhen und höhere Anforderungen an die Strombelastbarkeit und die thermische Leistungsfähigkeit der Spule stellen.

Es gibt daher keinen allgemein optimalen Induktivitätswert für die Stromversorgung von KI-Servern.

Die Auswahl muss der elektrischen Auslegung des Reglers, einschließlich seiner Regelungsstrategie und des erwarteten Betriebsbereichs, entsprechen. Der Austausch durch eine Induktivität mit ähnlichem Nennwert ist nicht ausreichend, wenn sich deren Stromkennlinie, Verluste oder magnetisches Verhalten wesentlich unterscheiden.

Sättigungsstrom und Spitzenbetriebsstrom

Der Sättigungsstrom ist ein Schlüsselparameter bei Hochstrom-Spannungsregleranwendungen.

Wenn der Strom durch eine Spule zunimmt, kann der Magnetkern in die Sättigung geraten. Mit zunehmender Sättigung sinkt die effektive Induktivität, wodurch sich die Stromwelligkeit und das Verhalten des Reglers ändern.

Wenn die Spule im Normal- oder Übergangsbetrieb in die Sättigung gerät, kann der Spitzenstrom schneller ansteigen als erwartet. Dies kann die Belastung der Bauteile erhöhen und die vorgesehene Funktion des Reglers beeinträchtigen.

Bei der Bewertung des Sättigungsstroms sollten Ingenieure Folgendes berücksichtigen:

• Maximaler Dauerausgangsstrom

• Spitzenphasenstrom

• Stromwelligkeit

• Lasttransienten

• Eingangs- und Ausgangsspannungszustände

• Induktivitätsreduzierung unter Gleichstromvorspannung

• das vom Hersteller angegebene Sättigungskriterium

Die Nennströme für Sättigung werden nicht immer anhand desselben Schwellenwerts für die Induktivitätsreduktion definiert. Ein Vergleich zweier Bauteile sollte daher unter einheitlichen Testbedingungen und mit konsistenten Definitionen erfolgen.

Es ist außerdem wichtig, den Sättigungsstrom vom Nennstrom aufgrund der Temperaturerhöhung zu unterscheiden. Ein Bauteil kann die eine Grenze einhalten, die andere aber überschreiten.

Bei Server-VRMs mit hohem Stromverbrauch müssen beide Grenzwerte mit den tatsächlichen Betriebsbedingungen der Schaltung abgeglichen werden.

Gleichstromwiderstand und Leitungsverluste

Der Gleichstromwiderstand (DCR) der Spule trägt direkt zu den Leitungsverlusten bei.

Eine vereinfachte Beziehung ist:

P = I² × R

wobei P den ohmschen Leistungsverlust, I den Strom durch die Wicklung und R ihren Widerstand darstellt.

Da in dieser Beziehung das Quadrat des Stroms auftritt, kann selbst eine geringfügige Widerstandsdifferenz bei Anwendungen mit hohem Strom eine bedeutende Auswirkung haben.

Ein niedrigerer Gleichstromwiderstand (DCR) kann Leistungsverluste und Eigenerwärmung reduzieren. Der Widerstandswert allein entscheidet jedoch nicht darüber, ob eine Spule für einen bestimmten Regler geeignet ist.

Ingenieure sollten außerdem die Induktivität unter Betriebsspannung, das Sättigungsverhalten, die Kernverluste, die physikalischen Abmessungen und die thermische Leistung berücksichtigen.

Der angegebene Widerstand sollte bei der angegebenen Messtemperatur ermittelt werden. Da der Wicklungswiderstand mit steigender Temperatur zunimmt, können die tatsächlichen Betriebsverluste höher sein als eine Berechnung, die ausschließlich auf einem Wert bei Raumtemperatur basiert.

Bei einem mehrphasigen Regler beeinflusst die Stromverteilung zwischen den Phasen auch die Verluste der einzelnen Induktivitäten.

Kernverluste und Schaltfrequenz

Der Gleichstromwiderstand (DCR) ist nur eine Ursache für Spulenverluste.

Das magnetische Material und die Betriebsbedingungen beeinflussen ebenfalls die Kernverluste. Diese Verluste hängen von Faktoren wie Schaltfrequenz, magnetischer Flussamplitude, Wellenform und Kernmaterial ab.

Mit steigenden Schaltfrequenzen können Entwickler möglicherweise kleinere Induktivitätswerte verwenden oder die Größe einiger passiver Bauteile reduzieren. Höhere Frequenzen können jedoch auch die schaltbedingten Verluste an anderer Stelle im Wandler erhöhen und das magnetische Verlustprofil der Induktivität verändern.

Das Ergebnis hängt vom gesamten Schaltungsdesign ab.

Eine Leistungsinduktivität sollte daher über den gesamten vorgesehenen Betriebsbereich hinweg bewertet werden und nicht nur aufgrund ihrer geringen Größe oder ihres niedrigen Gleichstromwiderstandswerts ausgewählt werden.

Die Verlustkurven der Hersteller und die Anwendungsdaten können Ingenieuren helfen, Kandidaten unter Bedingungen zu vergleichen, die denen im tatsächlichen Regler näher kommen.

Thermische Leistungsfähigkeit von Serverplatinen mit hoher Packungsdichte

Die thermische Leistungsfähigkeit ist ein weiterer wichtiger Aspekt bei der Auslegung der Stromversorgung von KI-Servern.

Induktoren erzeugen Wärme durch Wicklungswiderstand und magnetische Verluste. Der daraus resultierende Temperaturanstieg hängt vom Verlustprofil des Bauteils, dem Leiterplattenlayout, nahegelegenen Wärmequellen, der Luftströmung und den thermischen Eigenschaften des installierten Systems ab.

Ein unter den vom Hersteller festgelegten Testbedingungen gemessener Nennstrom lässt sich nicht direkt in den gleichen zulässigen Strom innerhalb einer dicht bestückten Serverplatine umrechnen.

Vor der endgültigen Auswahl eines Induktors sollten Ingenieure Folgendes prüfen:

• Bemessungsstrom und die damit verbundenen Temperaturanstiegsbedingungen

• Sättigungsverhalten bei erhöhten Temperaturen

• Maximale Betriebstemperatur

• Wärmewiderstand und Wärmeableitung

• Leiterplatten-Kupferfläche und Layout

• Luftströmung und nahegelegene Wärmequellen

• Erwartete kontinuierliche und Spitzenbetriebsbedingungen

Die thermische Umgebung beeinflusst auch die Langzeitstabilität. Eine Induktivität, die dauerhaft nahe ihrer thermischen Belastungsgrenze arbeitet, hat möglicherweise weniger Spielraum für Änderungen der Umgebungstemperatur oder der Arbeitslast.

Aus diesem Grund sollte die thermische Bewertung die zu erwartenden Installationsbedingungen berücksichtigen und sich nicht ausschließlich auf die Nennwerte einzelner Komponenten stützen.

Anforderungen an Induktoren von Mehrphasen-VRMs und TLVRs

Mehrphasen-Spannungsregler werden häufig dort eingesetzt, wo Prozessoren einen hohen Strom bei niedriger Spannung benötigen.

Durch die Verteilung der Last auf mehrere Phasen kann der Regler die Stromabgabe steuern und gleichzeitig Restwelligkeit und thermische Belastung begrenzen. Die Induktivitäten in diesen Schaltungen müssen mit dem Phasenstrom, der Schaltfrequenz und der Regelungsstrategie kompatibel sein.

Einige Server-Netzteile verwenden auch TLVR-Topologien (Trans-Inductor Voltage Regulator). Diese Schaltungen nutzen gekoppelte induktive Wicklungen, um das Stromverhalten unter hoher Last zu verbessern.

TLVR erfordert zusätzliche Überlegungen hinsichtlich der magnetischen und elektrischen Auslegung. Induktivität, Kopplung, Wicklungskonfiguration, Streuinduktivität, Widerstand und Stromgrenzen müssen mit der vorgesehenen Reglertopologie kompatibel sein.

Eine herkömmliche Leistungsinduktivität sollte nicht als direkter Ersatz für eine gekoppelte oder TLVR-spezifische Komponente betrachtet werden, nur weil die Nenninduktivität ähnlich erscheint.

Die erforderlichen Bauteileigenschaften hängen vom Schaltungsdesign und den Herstellerspezifikationen ab. Ingenieure sollten die relevanten elektrischen Parameter überprüfen, bevor sie einen Austausch in Betracht ziehen.

Leiterplattenfläche und Leistungsdichte

Auf den Platinen von KI-Servern ist nur begrenzt Platz für Stromversorgungskomponenten. Induktivitäten müssen in den verfügbaren Bereich der Leiterplatte passen und gleichzeitig die elektrischen, thermischen und mechanischen Anforderungen erfüllen.

Kleinere Bauteile können helfen, Platz auf der Platine zu sparen, aber die Reduzierung der Grundfläche kann Kompromisse bei Strombelastbarkeit, Widerstand, Wärmeableitung oder Induktivität mit sich bringen.

Auch das Gesamtdesign der Platine ist wichtig. Bauteilabstände, Kupferführung, Anordnung der Schaltknoten und die Platzierung benachbarter Kondensatoren und Leistungshalbleiter können die elektrische Leistung und die Wärmeverteilung beeinflussen.

Die beste Wahl ist daher nicht unbedingt die kleinste Induktivität oder das Bauteil mit der höchsten Nennstromstärke.

Eine praxisorientierte Auswahl sollte Folgendes ausbalancieren:

• Erforderliche Induktivität

• Sättigungs- und Temperaturanstiegsstrom

• Gleichstromwiderstand und magnetische Verluste

• Verpackungsabmessungen

• Thermisches Verhalten auf der tatsächlichen Leiterplatte

• Kompatibilität mit der Reglertopologie

• Verfügbarkeits- und Produktionsanforderungen

Dieser Ansatz hilft Ingenieuren bei der Beurteilung, ob eine Komponente die elektrischen Anforderungen erfüllen kann, ohne vermeidbare thermische oder Layout-Einschränkungen zu schaffen.

Eine praktische Checkliste zur Auswahl von Leistungsinduktivitäten

Bevor Ingenieure eine Induktivität für einen Spannungsregler eines KI-Servers auswählen, sollten sie die folgenden Parameter überprüfen.

Diese Parameter sollten gemeinsam bewertet werden. Ein Bauteil mit ausgezeichnetem Gleichstromwiderstand (DCR) kann dennoch ungeeignet sein, wenn sein Sättigungsverhalten oder seine thermische Leistung den Anforderungen der Schaltung nicht entspricht.

Ebenso bedeutet eine höhere Strombelastbarkeit nicht automatisch eine bessere Leistung, wenn die Induktivität, die Verluste oder die Abmessungen des Bauteils mit der Konstruktion nicht kompatibel sind.

Auswahl von Leistungsinduktivitäten im Rahmen des Stromversorgungsdesigns von KI-Servern

Die Spannungsregelung von KI-Servern stellt hohe Anforderungen an magnetische Bauteile. Da der Prozessorstrom steigt und der Platz auf der Platine begrenzt bleibt, müssen Ingenieure Leistungsinduktivitäten hinsichtlich elektrischer, magnetischer, thermischer und mechanischer Parameter bewerten.

Induktivität, Sättigungsstrom, Gleichstromwiderstand, Kernverluste und Temperaturanstieg beeinflussen die Eignung einer Induktivität für eine bestimmte Spannungsregelung. Mehrphasen- und TLVR-Schaltungen stellen zusätzliche Anforderungen, die anhand der tatsächlichen Schaltungstopologie überprüft werden müssen.

Für die Auswahl elektronischer Bauteile ist der sinnvollste Ausgangspunkt die Betriebsparameter des Reglers: Eingangs- und Ausgangsspannung, Phasenstrom, Schaltfrequenz, Spitzenstrom, thermische Umgebung und erforderliche Induktivität.

Die Abstimmung dieser Parameter auf die Bauteilspezifikationen bietet eine zuverlässigere Grundlage für die Auswahl als der alleinige Vergleich der Nenninduktivität oder der Nennstromwerte.

Da sich die Stromversorgung von KI-Servern ständig weiterentwickelt, bleibt die sorgfältige Auswahl der Leistungsinduktivitäten ein wichtiger Bestandteil des Aufbaus effizienter und thermisch robuster Spannungsreglerschaltungen.