數(shù)據(jù)中心交換機(jī)高速率發(fā)展，需要哪些電感與電容元件？
電子發(fā)燒友網(wǎng)報(bào)道（文/李寧遠(yuǎn)）在算力向更高水平發(fā)展的推動(dòng)下，數(shù)據(jù)迎來(lái)了爆炸性增長(zhǎng)。數(shù)據(jù)中心需要處理越來(lái)越多的數(shù)據(jù)，并且這些數(shù)據(jù)還在逐年增加，對(duì)計(jì)算能力的需求也同樣如此。
不斷提高的算力需求推動(dòng)了大功率數(shù)據(jù)機(jī)架和更高效的數(shù)據(jù)中心建設(shè)，云計(jì)算數(shù)據(jù)中心網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)也在持續(xù)升級(jí)演進(jìn)，市場(chǎng)對(duì)數(shù)據(jù)中心光互聯(lián)技術(shù)提出了更高速率、更低功耗、更低成本等需求。
數(shù)據(jù)中心交換機(jī)市場(chǎng)發(fā)展
數(shù)據(jù)中心交換機(jī)市場(chǎng)是一個(gè)穩(wěn)步增長(zhǎng)的市場(chǎng)，根據(jù)相關(guān)數(shù)據(jù)，國(guó)內(nèi)交換機(jī)市場(chǎng)規(guī)模已經(jīng)從2019年的380億元擴(kuò)張到2023年的685億元，較2022年增長(zhǎng)了16%，預(yù)計(jì)2024年可以達(dá)到749億元。
其中，以太網(wǎng)交換機(jī)占比約50%，以太網(wǎng)交換機(jī)是基于以太網(wǎng)進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸?shù)亩?a target="_blank">端口網(wǎng)絡(luò)設(shè)備，隨著以太網(wǎng)的發(fā)展，交換機(jī)也在不斷演進(jìn)，為了更快速的局域網(wǎng)連接，千兆以太網(wǎng)甚至萬(wàn)兆以太網(wǎng)技術(shù)已經(jīng)被應(yīng)用起來(lái)。
這背后的主要推動(dòng)因素有三，其一是數(shù)字化轉(zhuǎn)型需求，其二是云計(jì)算和大數(shù)據(jù)的普及，其三是現(xiàn)在進(jìn)展頻頻的AI/Chat GPT等新技術(shù)。在這些因素的多重作用下，通信帶寬越來(lái)越高，交換機(jī)作為數(shù)據(jù)傳輸?shù)暮诵脑O(shè)備，其市場(chǎng)空間發(fā)展前景還是很廣闊的。
從交換機(jī)成本結(jié)構(gòu)來(lái)看，交換芯片成本占比是最高的，占比32%，其次是光器件，占比14%。插接件和阻容器件成本相當(dāng)，都占比10%，然后是殼體成本占比8%，PCB占比7%。
交換機(jī)中的被動(dòng)元件
目前交換機(jī)應(yīng)用，25G、100G應(yīng)用得還是最廣的，不過(guò)400G、800G也在加速中，一些行業(yè)頭部廠商已經(jīng)著手1.6T的布局。傳輸速度的演進(jìn)其實(shí)對(duì)電源水平有著相應(yīng)的要求。100G有著3.5-5W的功耗水平，400G需要14-24W功耗水平，800G則需要25-30W的功耗水平，1.6T更高，這對(duì)電源的選用來(lái)說(shuō)是很大的考驗(yàn)。
在交換機(jī)電源的設(shè)計(jì)中，EMI是非常重要的三個(gè)指標(biāo)。EMI在電源設(shè)計(jì)中向來(lái)是很困難的一部分，電路板布局、雜訊屏蔽，架構(gòu)設(shè)計(jì)等都會(huì)影響EMI等級(jí)，功率電感、磁珠、共模扼流線(xiàn)圈的應(yīng)用相當(dāng)關(guān)鍵。
眾所周知光電轉(zhuǎn)換是交換機(jī)的核心環(huán)節(jié)，尤其是現(xiàn)在吞吐量需求越來(lái)越大，光模塊封裝也在不斷改變。目前常見(jiàn)的SFP、OSFP、QSFP這些不同的封裝也規(guī)定了不同的EMI電感器用量和感值，如SFP對(duì)應(yīng)的是4.7uH、OSFP對(duì)應(yīng)的是0.47uH。未來(lái)LC濾波電路上電流還會(huì)增加，還要繼續(xù)增加通流能力，也要盡可能降低磁芯損耗，保證更低的漏磁和更平滑的飽和特性。
目前基于金屬合金粉的電感展現(xiàn)出了比鐵氧體電感更好的通流能力，在大電流下感值不會(huì)出現(xiàn)巨大變化，整體也更穩(wěn)定。
總的來(lái)說(shuō)電源鏈路的性能很大程度上受到電感的制約，提高轉(zhuǎn)換效率和降低電感的損耗直接相關(guān)，而且在電源電路小型化發(fā)展的現(xiàn)在，縮減尺寸也需要電感在積層技術(shù)、薄膜技術(shù)上做創(chuàng)新。
磁珠作為廣泛使用的靜噪產(chǎn)品，應(yīng)用也是很廣泛的，主打一個(gè)高性?xún)r(jià)比，在濾除高頻噪聲上效果很好，在交換機(jī)應(yīng)用上磁珠也需要具備較大的額定電流?，F(xiàn)在的產(chǎn)品方向也是往大電流做，用小電流磁珠做并聯(lián)也占用板上空間，大電流的磁珠在交換機(jī)上更受歡迎。
交換機(jī)數(shù)據(jù)傳輸接口、差分線(xiàn)路接口都在往更高的速度迭代，傳輸速率的提高帶來(lái)了更多的高頻共模噪聲干擾。共模電感自然也是常用且性?xún)r(jià)比很高的EMI解決辦法。為了應(yīng)對(duì)傳輸速率上去之后，交換機(jī)線(xiàn)路上高頻噪聲的頻點(diǎn)就會(huì)越來(lái)越高，共模電感的抑制頻點(diǎn)也會(huì)要求越來(lái)越高，共模電感也呈現(xiàn)出高頻化的發(fā)展趨勢(shì)。
在高頻場(chǎng)景下，電感的轉(zhuǎn)換效率是十分重要的，這樣才能更好地處理電流的突變和快速變化，以保持電源的穩(wěn)定性和可靠性。
電容在交換機(jī)中也有著很多應(yīng)用，比如在交換機(jī)電源Hold Up性能設(shè)計(jì)中就需要在電源內(nèi)部使用高壓大容值的電容，來(lái)提高斷電后滿(mǎn)負(fù)載的主電壓輸出能力，這是很關(guān)鍵的一項(xiàng)性能指標(biāo)。
從整個(gè)交換機(jī)應(yīng)用上來(lái)看，隨著交換設(shè)備速率的不斷提高，對(duì)元器件提出的要求主要集中在如何有限的空間中布局更多、更強(qiáng)大的元器件。不同電壓回路都需要更小尺寸、更大容值的電容方案，同時(shí)在使用溫度方面，電容也需要能夠達(dá)到105°甚至更高，滿(mǎn)足不同溫度場(chǎng)景的使用需求。
CPU作為數(shù)字中心交換機(jī)的核心，其供電回路需要大量的高容值電容來(lái)進(jìn)行電源輸出優(yōu)化以實(shí)現(xiàn)長(zhǎng)期穩(wěn)定地運(yùn)行。高容值陶瓷電容在這里很受歡迎，同時(shí)解決容值和空間的需求。相比于常用的電解電容，陶瓷電容擁有更高的容值密度，同時(shí)，陶瓷電容擁有更低的ESL和ESR，在為CPU提供穩(wěn)定的電源上更有優(yōu)勢(shì)。
這條線(xiàn)路對(duì)阻抗也有比較高的要求，追求大容值的同時(shí)解決阻抗問(wèn)題？三端子陶瓷電容就可以解決，三端子在高頻領(lǐng)域的低阻抗尤為突出，具有很明顯的降噪特性，在數(shù)據(jù)中心、車(chē)載等高頻應(yīng)用里都能發(fā)揮出很好的性能，在實(shí)際使用回路中能夠更好地替代兩端子電容，讓回路阻抗得到進(jìn)一步的改善。
小結(jié)
數(shù)據(jù)中心交換機(jī)的快速發(fā)展，和應(yīng)用在其中的必不可少的被動(dòng)元件有著千絲萬(wàn)縷的聯(lián)系。交換機(jī)向更高速率迭代的同時(shí)，也大大推進(jìn)了電感和電容產(chǎn)品的發(fā)展。
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