在人工智能浪潮的席卷下，AI服務器作為支撐各類復雜AI運算的關鍵硬件，其電源（PSU）的性能表現成為了決定整個系統效能的重要因素。作為大功率AI服務器PSU領域的一項重大革新——混合式TCM/CCM控制策略在交錯TTP PFC中扮演著重要角色。它是如何從AI服務器電源發展趨勢出發，憑借獨特的技術優勢，為AI服務器的穩定高效運行保駕護航的？讓我們來深入剖析。

AI服務器電源新趨勢：更高密度，更高效率

AI技術的蓬勃發展，推動AI服務器PSU發生深刻變革。

在功率方面，為滿足AI服務器復雜運算的需求，PSU功率持續提升。在能效上，由于其需要長時間穩定運行，因此對PSU效率和能耗管理要求嚴苛，高效PSU能降低成本且環保。在空間有限的數據中心，也要求PSU進一步提高功率密度，在緊湊設計中實現更高的性能。

先進控制策略成為必然選擇，像TCM、CCM及交錯圖騰柱PFC技術，可優化電源性能，讓PSU能快速響應負載變化，實現智能電力管理。模塊化和可擴展性設計也極為關鍵，能滿足多樣化功率需求，便于維護和模塊替換，提升系統可靠性。

此外，AI服務器運行產熱多，高效冷卻和熱管理技術從風冷向液冷升級，保障系統穩定。增強故障容錯和預測性維護功能，減少停機風險，確保電力持續供應，是PSU高可靠性的重要體現。

為了支持性能強勁的GPU，AI服務器電源的功率需求比傳統服務器高3-10倍，輸出電壓從傳統的12V提升到48/54V，這已逐漸成為市場主流。

目前，單個PSU功率已攀升至5.5kW、8kW等規格，未來還會達到更高水平。同時，對效率的要求也越來越高，不同功率的PSU都有相應嚴格的效率指標，例如5.5kW PSU在特定負載條件下峰值效率可達97.5%，8kW的PSU則追求更高的功率密度和效率表現。

混合式TCM/CCM控制策略詳解

圖騰柱PFC拓撲結構

圖騰柱PFC拓撲結構在PSU設計中應用廣泛，主要有單通道和交錯式兩種配置。單通道圖騰柱PFC通常適用于4kW以下的功率場合，器件數量少、電路結構相對簡單，控制簡單，易于實現。

交錯圖騰柱PFC則適用于對功率和效率要求更高的大功率場景。它采用兩相或三相交錯的方式，工作模式更加靈活，可以是CCM、TCM，甚至是混合模式。在輕載情況下，通過采用TCM模式和相屏蔽技術，能夠進一步提升效率，減少器件損耗，為高功率AI服務器PSU提供了更可靠的解決方案。

控制模式對比與選擇

在PFC控制策略中，常見的有CCM（電流連續模式）、DCM（電流斷續模式）、CRM（臨界導通模式）和TCM（三角電流模式）。在本次討論的方案中，重點采用了CCM和TCM的混合模式。

CCM的特點是電流連續，開關頻率固定。這種模式在高功率、高穩定性要求的場合表現出色，因為其電流波紋低，能夠提供相對穩定的電流輸出，但其開關損耗較高，輕載時效率會有所下降。

TCM則是一種開關頻率可變的控制模式，電流波形呈三角形。其優勢在于輕載時開關損耗低，效率較高。與DCM和CRM相比，TCM和CCM更適合AI服務器PSU應用。DCM的電流斷續特性導致其工作頻率不穩定，且無法實現零電壓開通，在效率和穩定性方面存在不足。CRM雖然也是變頻模式，但同樣沒有零電壓開通的優勢，因此在本應用場景中未被重點考慮。而TCM和CCM結合，能夠實現零電壓開通，有效提升整體效率，滿足AI服務器在不同負載情況下的需求。

混合控制模式優勢

混合式TCM/CCM控制模式具有多方面的顯著優勢：

優化效率：混合策略可根據負載情況在TCM和CCM之間切換，從而在廣泛的工作點上優化效率。TCM在輕負載時由于開關損耗減少而更高效，而CCM在高負載時由于導通損耗較低而更高效。

減少紋波電流：兩相/三相交錯有助于顯著減少輸入和輸出電流紋波。混合方法可以通過動態調整工作模式進一步優化紋波減少。

增強的熱管理：在兩相之間分配負載并在TCM和CCM之間切換可以帶來更好的熱性能和更均衡的熱量散布。

改善瞬態響應：在TCM和CCM之間切換，使系統能夠快速適應負載變化，提供更好的瞬態響應。

靈活性和可靠性：混合控制策略在設計和應用上提供了靈活性，使其適用于各種工作條件。它可以通過減少元件上的應力和改善熱管理來提高PFC電路的可靠性。

混合控制模式在交錯式TTP PFC中的實現方式

滯環電流控制

在交錯式TTP PFC中，實現混合式TCM/CCM控制模式的關鍵技術之一是滯環電流控制。通過設定電感電流的上下限，讓電感電流在這個設定范圍內波動，從而實現零電壓開通，有效降低開關損耗。這種控制方式響應快，能夠逐周期對電流進行精確控制，且工作模式切換靈活，可以根據實際需求在CCM、TCM或其他模式之間快速切換。但它對電感電流檢測的要求較高。

電流檢測方案

由于滯環電流控制對電感電流檢測的高要求，電流傳感器需要具備多種特性。它必須具備隔離功能，以確保電路的安全性；能夠進行雙向檢測，因為電流存在正負方向；具有低損耗特性，以減少對系統效率的影響；實現快速響應和OCP保護，滿足實時控制需求；具備高帶寬，以適應變頻信號。

ST目前采用的是一種復合方案，即將霍爾傳感器與電流互感器（CT）結合使用。CT主要用于檢測交流高頻成分，即電感電流中的高頻電紋電流部分；霍爾傳感器負責檢測工頻成分。兩者采集的信號疊加后，能夠得到反映實際電感電流的原始信號。此外，ST也在對高帶寬霍爾傳感器進行評估，探索更優的電流檢測解決方案。

在硬件層面，ST方案以STM32G474為核心控制芯片，搭配相關的功率器件，如不同類型的MOSFET等，構建起完整的控制電路。STM32G474具備強大的處理能力和豐富的外設資源，為實現復雜的控制算法提供了硬件基礎。

方案利用STM32G474內部的DAC、快速比較器和高分辨率定時器（HRTIM）實現滯環控制、ZVS（零電壓開關）控制和驅動信號輸出。控制回路包含一個1kHz運行的電壓外環，主要作用是穩定輸出電壓，使其保持在設定值；一個40kHz運行的電流內環，用于精確控制電感電流。同時，還引入了輸入和輸出前饋控制，有效防止輸出電壓波動，提高系統穩定性。

CCM實現方式與仿真測試結果

進入CCM模式有兩種常見的實現方式，即固定紋波帶和固定開關頻率。以固定紋波帶為例，如設定紋波帶為4A，在這種情況下，整個控制過程是變頻操作。另一種方式是固定開關頻率，例如設定為70kHz，此時需要根據輸入電壓（Vin）、輸出電壓（Vout）、周期（T）和電感值（L）來計算電感器紋波。通過仿真，得到了不同方式下的電流波形。目前實際應用中采用的是固定紋波帶的方式。

從測試結果來看，在2000W（純TCM）、3500W（TCM/CCM混合）、4500W（CCM為主）等不同負載條件下，電流波形表現良好。例如，在2000W純TCM模式下，電流波形交錯良好；3500W混合模式時，CCM和TCM的切換區域過渡平穩；4500W以CCM為主時，CCM區間穩定工作。這些結果充分驗證了方案的可行性和有效性，尤其是電流過零部分無明顯畸變，表現理想，對PFC性能的提升效果顯著，為AI服務器PSU的實際應用提供了可靠保障。

由此可見，混合式TCM/CCM控制策略在交錯TTP PFC中的應用，為大功率AI服務器PSU帶來了性能上的巨大提升。ST針對高功率AI服務器電源精心打造了專業設計套件，并提供全面的產品組合，充分滿足多樣化的設計需求，為AI服務器電源的發展注入強大動力。展望未來，該技術體系有望持續優化，為AI領域發展筑牢電力根基。