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贴片电容与电感：液冷GPU Core供电PI-SI协同设计
文章出处：平尚科技
责任编辑：平尚科技
发表时间：2025-12-18
在液冷AI服务器的核心，GPU的供电网络正面临前所未有的设计复杂度。其电源完整性（PI）与信号完整性（SI）的界限日益模糊，高频开关噪声、快速负载瞬变与高速数据信号相互交织影响。传统的单一优化思路已难以为继，必须对电源链路中的贴片电容与功率电感进行深度协同设计，以同时满足稳定、洁净的电压与高速、无误的数据传输。
液冷GPU的Core供电通常采用多相并联的降压（VRM）架构。其核心挑战在于，功率级产生的开关噪声（数百kHz至数MHz）及其高频谐波，不仅会通过电源平面传导，影响PI目标的实现——即保持供电电压在负载瞬变时的稳定；还会通过近场辐射和共用阻抗耦合，干扰邻近的SerDes（串行解串器）、高速内存等敏感信号线，恶化SI性能，引发数据误码。而液冷环境虽然解决了宏观散热问题，但局部元件温升、冷板带来的机械约束以及可能的冷却液介电特性变化，都为LC元件的参数稳定性增添了新的变量。协同设计的起点，是为贴片电容与功率电感设定明确且互补的参数目标。对于贴片电容，尤其是靠近GPU芯片的MLCC阵列，其首要使命是提供超低阻抗的能量缓存。这要求电容在目标频带（覆盖开关频率及其主要谐波）内，具有极低的等效串联电阻（ESR）和等效串联电感（ESL）。平尚科技提供的工业级MLCC，采用X7R或更稳定的X6S介质，在100kHz至10MHz频段内，其ESR可稳定在5毫欧以下，而通过优化内部结构，其ESL可控制得极低。此外，其容值在液冷系统常见的工作温度范围（-55℃至125℃）内，变化率能控制在±15%以内，保证了滤波网络谐振点的稳定。
对于功率电感，其作用不仅是储能和平滑电流，其自身的频率特性也至关重要。理想的功率电感应在开关频率处保持高阻抗以抑制纹波，但同时其自谐振频率（SRF）应远高于开关频率，以避免在有用频段内出现阻抗陡降。平尚科技提供的金属复合磁粉电感，在提供所需感量的同时，其SRF可以做到开关频率的3-5倍以上，且直流电阻（DCR）较低，能有效降低通态损耗。其磁芯材料在高温下饱和磁通密度衰减平缓，确保了在GPU峰值负载时的电感量稳定。参数优异的元件需要精密的布局才能发挥协同效应。PI-SI协同设计的核心是分区与隔离。在电源侧，采用“全局-局部”电容分级布局。大容量、中低频率的电解电容或聚合物电容作为全局缓冲，部署在电源模块输出端；而高频MLCC阵列则必须尽可能贴近GPU的电源引脚，形成局部低阻抗回路，将高频噪声限制在最小范围内。同时，功率电感与MOSFET构成的功率回路面积必须被极致压缩，以降低辐射噪声。在信号侧，关键高速信号走线需严格参考完整的地平面，并远离功率电感和开关节点区域。必要时，可以在敏感信号线相邻的电源平面上增加隔离沟槽，或采用专用的电源层为高速I/O供电，实现“电源分割”，阻断噪声通过电源平面的直接传导。
通过这种从元件参数到系统布局的深度协同，国内先进的设计已能将液冷GPU Core供电的目标阻抗在宽频带内（例如10kHz到100MHz）压至1毫欧以下，并将核心电压的峰峰值噪声控制在20mV以内。这不仅保障了GPU在高负载下的稳定运行，也为其外围高速总线（如PCIe 5.0/6.0， GDDR6X）的清晰眼图与低误码率奠定了坚实的电源基础，实现了PI与SI的双赢。在液冷GPU向更高算力、更高能效进发的道路上，供电系统的设计已从单一的“能量输送”演变为复杂的“能量与信号综合治理”。贴片电容与电感，作为这一系统的基石，其协同设计的深度直接决定了系统性能的天花板。平尚科技凭借对工业级元件参数的精准把控与对系统级挑战的深刻理解，助力国内AI硬件实现从元件级性能到系统级可靠性的全面跃升，为每一瓦特算力的稳定释放护航。
