面向 AI 服务器应用的峰值功率削减方案设计

Noah Zhang
应用工程师

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引言

随着人工智能系统的快速发展，AI服务器的电力需求也在不断演变。AI训练启动时，GPU的功率需求可能瞬时激增，峰值可达GPU空闲状态下的10倍。功率激增可能会在服务器电源单元（PSU）中引发巨大的浪涌电流，甚至导致PSU过载。

然而，大多数 AI 训练周期持续的时间相对较短，GPU 随后会在空闲状态下停留较长的时间。因此，尽管这些短时突发功率可能超过服务器电源系统的峰值供电能力，却不会大幅改变平均功率需求。使用更高功率的 PSU 模块虽可满足峰值需求，但成本效益不佳，还会占用更多机架空间。

鉴于此，针对AI服务器 PSU 的新需求，可以采用专用削峰电路来降低 PSU 承受的峰值功率冲击。该电路在 GPU 低功耗空闲期间储存总线电能，并在 GPU 进入训练模式时对总线进行电能补充。本文将介绍如何为 AI 服务器构建削峰电路。

图 1 展示了削峰电路的简化系统框图。削峰电路通常包括：根据不同 GPU 状态从 PSU 总线取电充电或向总线放电的双向充电器；在 GPU 空闲时储存 PSU 能量的超级电容阵列；用于监测各超级电容单体状态的模拟前端 (AFE)；以及可选的主动均衡器。与 AFE 内的被动均衡器相比，主动均衡器能够更快速地实现超级电容阵列均衡。

Figure 1: System Block Diagram of the Peak-Shaving Circuit

图 1：削峰电路系统框图

图 2 展示了削峰电路的功率流动示例。蓝色区域的正电流表示放电，黄色区域的负电流表示充电。训练开始时，服务器电源系统负载较重，超级电容放电以满足 GPU 的峰值功率需求；在空闲状态下，超级电容以较低电流充电，储存来自 PSU 的剩余能量。

Figure 2: Power Flow of the Peak-Shaving Circuit

图 2：削峰电路的功率流动

采用 MP2769 实现的双向充电器方案

在充放电过程中，超级电容的电压可能高于或低于 48V 母线电压。因此，设计人员通常需要采用升降压变换器来实现超级电容的充电与放电。

MP2769是一款可通过I²C配置的 60V 双向升降压充电控制器。该器件可根据 GPU 的不同状态，控制削峰电路中 48V 总线与超级电容之间的升降压变换器。训练开始时，MP2769 控制超级电容放电，为总线负载供电；GPU 空闲时，则向超级电容回充储能。与传统基于 DSP 的方案相比，MP2769 无需为开关 FET 配置外部栅极驱动器，也无需外部输入和输出电流采样电路及针对环路补偿的 DSP 编程，从而降低了设计复杂度。这些特性使 MP2769 成为削峰应用的理想选择。

图3为MP2769的典型应用电路，开关功率FET由MP2769直接驱动。

Figure 3: MP2769 Typical Application Circuit

图 3：MP2769 典型应用电路

在削峰应用中，空闲时间通常远长于训练时间。因此，超级电容有充足时间充电，但需要在较短时间内放电，才能为 GPU 提供足够高的峰值功率。为实现这一目标，设计人员通常使用多个模块并联放电，而仅用一个模块充电。图 4 展示了这种架构。

Figure 4: Multiple MP2769 Connections for the Peak-Shaving Circuit

图 4：削峰电路中多个 MP2769 的连接方式

为了使这些模块能够根据 AI 训练状态在充电和放电之间自动切换，应将充电模块的最低输入电压阈值(V_{IN_MIN})设为略低于标称总线电压，同时将放电模块的输出电压(V_OUT)设为低于V_{IN_MIN}。例如，总线电压 (V_BUS)为 48V 时，将V_{IN_MIN}设为 47V，将 V_OUT设为 46V。

当GPU 处于空闲状态时，PSU 负载较轻。由于 V_BUS为 48V，高于V_{IN_MIN}，充电模块会从总线获取电能，为超级电容充电。当V_BUS高于V_OUT时，放电模块保持空闲状态。当训练开始时，由于 PSU 功率受限，V_BUS开始下降；直至V_BUS降至低于V_{IN_MIN}时，充电模块停止充电；当V_BUS进一步降至V_OUT时，放电模块开始开关工作，并与 PSU 配合共同满足 GPU 的峰值功率需求。图 5 展示了这一过程。

Figure 5: Charging/Discharging Transition

图5：充/放电模式切换

采用 MP2793 实现的超级电容阵列 AFE 方案

削峰电路中的超级电容阵列通常由多个超级电容串联构成。为确保阵列安全运行，必须监测各单体的状态。尤其是在长时间运行之后，各超级电容之间的电容值差异很可能造成单体电压失衡。为解决这一问题，需要采用专用 AFE 来监测各电容的状态，并为各单体提供电压均衡功能。

MP2793是一款适用于 4 至 16 节锂离子电池的模拟前端 (AFE) 监测与保护方案，也可用于超级电容系统。该器件可对单体电压、充放电电流、电池组电压和单体温度提供完整的监测与保护功能，可确保削峰电路中的超级电容阵列安全运行。

它同时提供被动均衡功能，可解决长期运行后可能出现的单体失衡问题，从而使各电容单体之间的电压差保持在安全且可接受的范围内，避免因单体失衡导致整个电容阵列失效。

MP2793在削峰电路中可用作超级电容阵列的 AFE。MP2793、超级电容阵列与 MCU 的连接方式如图 6 所示。MP2793 可实时向 MCU 报告超级电容的电压、电流及温度信息，对串联的各单体进行电压均衡；若发生严重故障（例如短路、过压、欠压或电容过温），则关断保护 FET。

Figure 6: MP2793 Connection between Supercapacitors and MCU

图 6：MP2793 在超级电容与 MCU 之间的连接

削峰电路中的可选主动均衡器

与典型储能系统 (ESS) 相比，削峰系统中的超级电容充放电频率要高得多，因此电容失衡会更快地影响系统。出于散热考虑，被动均衡器的均衡电流通常被限制在 200mA 以下。在这种情况下，传统被动均衡方法可能无法以足够快的速度保持各电容单体的电压均衡。为此，设计人员可采用主动均衡器来加快均衡速度。

MP2645是一款支持 5个单体、可堆叠的主动均衡器，均衡电流最高可达 3.75A。该器件最多可支持 8 个芯片的级联运行（共33 个单体）。与被动均衡器相比，它可提供更高的均衡电流和更好的散热性能，适用于要求更快均衡速度的应用。

图 7 展示了采用该主动均衡器构建的削峰电路。

Figure 7 shows the proposed peak-shaving circuit using this active balancer

图 7：削峰应用电路图

采用 MP2769 和 MP2793 实现的削峰电路原型

图 8 展示了使用 MP2769 和 MP2793 构建的削峰解决方案原型。该方案包含三个 MP2769 模块、一块 MP2793 AFE 电路板、一个 16 单体超级电容阵列和用于散热的风扇。三个 MP2769 模块中，一个配置为充电模式，其余两个配置为放电模式。当 V_BUS较高时，充电模块 MP2769-1 开关工作，为超级电容充电；放电模块 MP2769-2 和 MP2769-3 则保持空闲。AI 训练开始时，V_BUS下降，MP2769-1 停止充电，MP2769-2 和 MP2769-3 开始使超级电容放电，向 V_BUS供电。

Figure 8: Prototype Peak-Shaving Circuit

图 8：削峰电路原型

图 9 展示了该削峰电路在充电与放电切换期间的波形。表 1 列出了各模块的设置。

表 1：充放电切换设置

模块	模式	V_{IN_MIN}	充电电流(I_CC)	V_OUT	输出电流设置(I_OLIM)
MP2769-1	充电	47V	5A	-	-
MP2769-2	放电	-	-	46V	5A
MP2769-3	放电	-	-	46V	5A

如图 9 所示，开始训练时 V_BUS下降（蓝色区域），MP2769-1 停止开关工作，MP2769-2 和 MP2769-3 开始开关工作，向总线负载供电。GPU 返回空闲状态时，V_BUS 恢复至 48V（黄色区域），MP2769-2 和 MP2769-3 停止开关工作，MP2769-1 开始开关工作，将总线能量储存到超级电容中。

Figure 9: Peak-Shaving Circuit Charge and Discharge Transition

图 9：削峰电路的充放电切换

结论

AI 服务器开始训练时，GPU 和 PSU 会在短时间内满功率运行，其余时间则以轻载模式工作。其训练期间的突发峰值功率很可能对电网造成较大的功率冲击。削峰电路有助于减少 AI 服务器电源系统受到的功率冲击，同时还能满足 AI 训练启动时的GPU 峰值功率需求。

本文介绍了面向 AI 服务器应用的削峰电路设计方法。设计时，可采用 MP2769等高集成度双向升降压充电器方案对电容进行充放电；并利用MP2793等电池监测与保护器提供监测、保护和单体均衡功能，以确保超级电容阵列的安全运行。与此同时，如需更快的均衡速度，还可选用MP2645 等主动均衡器以提供更高均衡电流。这些器件的协同工作可构建理想的削峰解决方案。敬请浏览 MPS 的充电器IC、电池监测与保护器及主动均衡器产品，以进一步了解适用于各类应用的电池管理解决方案。