Infineon نسل جدید MOSFETهای ۴۰ ولتی OptiMOS 7 را معرفی کرد؛ بهینه‌سازی تلفات در منابع تغذیه دیتاسنترهای هوش مصنوعی

با افزایش توان مصرفی پردازنده‌های گرافیکی و شتاب‌دهنده‌های هوش مصنوعی، تأمین انرژی دیتاسنترها به یکی از چالش‌های مهم مهندسی برق تبدیل شده است. در نسل جدید این زیرساخت‌ها، توان مصرفی هر رک به‌سرعت افزایش پیدا می‌کند و معماری‌های سنتی توزیع برق دیگر به‌سادگی پاسخ‌گوی نیازهای آینده نیستند. یکی از راهکارهایی که صنعت به سمت آن حرکت می‌کند، استفاده از باس‌های DC با ولتاژ بالاتر، از جمله معماری‌های ۸۰۰ ولت DC است. اما افزایش ولتاژ توزیع به‌تنهایی کافی نیست؛ انرژی الکتریکی باید در چند مرحله به ولتاژهای پایین‌تر تبدیل شود تا در نهایت به پردازنده‌ها و سایر مدارهای الکترونیکی برسد.

در همین راستا، شرکت Infineon Technologies در تاریخ ۳ نوامبر ۲۰۲۶ از سبد جدیدی از ماسفت‌های ۴۰ ولتی با فناوری OptiMOS 7 رونمایی کرد. این قطعات برای مبدل‌های DC-DC فرکانس‌بالا، منابع تغذیه سرورها، زیرساخت‌های مخابراتی و معماری‌های جدید تغذیه دیتاسنترهای هوش مصنوعی طراحی شده‌اند. تمرکز اصلی این نسل، کاهش هم‌زمان تلفات هدایت و سوئیچینگ است؛ موضوعی که در مبدل‌های توان بالا و فضاهای محدود سرورها اهمیت زیادی دارد.

چرا دیتاسنترهای هوش مصنوعی به معماری جدید تغذیه نیاز دارند؟

در یک دیتاسنتر معمولی، انرژی الکتریکی پس از عبور از تجهیزات توزیع و تبدیل، به رک‌های سرور می‌رسد. در داخل رک نیز چند مرحله تبدیل ولتاژ وجود دارد تا انرژی مورد نیاز پردازنده‌ها و حافظه‌ها تأمین شود. با افزایش تعداد GPUها و توان مصرفی هر شتاب‌دهنده، جریان عبوری از باس‌های کم‌ولتاژ بسیار زیاد می‌شود. برای درک بهتر موضوع، رابطه پایه توان الکتریکی را در نظر بگیریم:

P=V.I

P توان الکتریکی بر حسب وات (W)

V ولتاژ بر حسب ولت (V)

I جریان الکتریکی بر حسب آمپر (A)

برای انتقال توان ثابت، افزایش ولتاژ باعث کاهش جریان مورد نیاز می‌شود. برای مثال، اگر قرار باشد ۱۰۰۰ وات توان را با ولتاژ ۴۸ ولت منتقل کنیم، جریان ایده‌آل برابر است با:

اما در ولتاژ ۸۰۰ ولت، برای انتقال همین توان به جریان بسیار کمتری نیاز داریم، کاهش جریان می‌تواند تلفات اهمی کابل‌ها و باس‌بارها را کاهش دهد؛ زیرا تلفات مقاومتی با مربع جریان متناسب است. به همین دلیل، توزیع انرژی در ولتاژ بالاتر برای رک‌هایی با توان بسیار زیاد جذاب است. البته این به معنای حذف مراحل تبدیل نیست. ولتاژ ۸۰۰ ولت برای تغذیه مستقیم هسته GPU مناسب نیست و باید در مبدل‌های میانی به ولتاژهای پایین‌تر تبدیل شود.

نقش مبدل IBC در معماری ۸۰۰ ولت DC

یکی از اجزای کلیدی در این معماری، مبدل Intermediate Bus Converter یا IBC است. وظیفه IBC تبدیل ولتاژ بالای باس اصلی به یک باس میانی با ولتاژ پایین‌تر است. برای مثال، در برخی طراحی‌های مرجع Infineon، تبدیل ۸۰۰ ولت DC به ۵۰ ولت یا ۱۲ ولت بررسی شده است. پس از این مرحله، مبدل‌های DC-DC دیگر می‌توانند ولتاژ را به مقادیر پایین‌تر تبدیل کنند تا رگولاتورهای نزدیک پردازنده، ولتاژ مورد نیاز هسته GPU را تأمین کنند.

یک مسیر ساده‌شده از انتقال انرژی را می‌توان این‌گونه نمایش داد: هر مرحله تبدیل باید با کمترین تلفات ممکن کار کند. در این میان، انتخاب کلیدهای قدرت مناسب برای مبدل‌های DC-DC نقش مهمی در راندمان کل سیستم دارد.

نکته مهم درباره محصول جدید Infineon این است که ماسفت‌های ۴۰ ولتی OptiMOS 7 برای بخش‌های کم‌ولتاژ تبدیل انرژی طراحی شده‌اند؛ این قطعات قرار نیست مستقیماً ولتاژ ۸۰۰ ولت باس اصلی را سوئیچ کنند.

OptiMOS 7 چه تفاوتی با نسل قبلی دارد؟

ماسفت‌های OptiMOS 7 معرفی‌شده در این خبر، از نوع Silicon MOSFET هستند و برای کاربردهای سوئیچینگ فرکانس‌بالا بهینه شده‌اند. در یک ماسفت قدرت، صرفاً پایین بودن مقاومت روشن اهمیت ندارد. در مبدل‌های سریع، پارامترهای مربوط به شارژ گیت و شارژ خازن خروجی نیز روی تلفات اثر می‌گذارند. Infineon در مقایسه یکی از مدل‌های جدید، یعنی IQE010N04LM7CGSC، با نمونه قبلی آن از خانواده OptiMOS 6، یعنی IQE013N04LM6CGSC، بهبودهای زیر را اعلام کرده است:

پارامتر	میزان بهبود اعلام‌شده
حداکثر مقاومت روشن RDS(on) در VGS برابر ۴٫۵ ولت	تا ۳۳٪ کاهش
شاخص عملکرد مرتبط با شارژ خروجی Qoss	تا ۳۵٪ بهبود
شاخص عملکرد مرتبط با شارژ گیت Qg	تا ۳۵٪ بهبود

این اعداد مربوط به مقایسه اعلام‌شده توسط سازنده هستند و نباید آن‌ها را به تمام مدل‌ها و شرایط کاری تعمیم داد.

چرا کاهش RDS(on) اهمیت دارد؟

وقتی ماسفت در وضعیت روشن قرار دارد، جریان از کانال آن عبور می‌کند و مقاومت روشن باعث ایجاد تلفات هدایت می‌شود. رابطه تقریبی این تلفات برای یک بازه هدایت را می‌توان به شکل زیر نوشت:

P_cond = I_RMS² × R_DS(on)

توان تلف‌شده‌ی هدایتی ماسفت (وات) : P_cond

مقدار مؤثر جریان عبوری از ماسفت (آمپر) : I_RMS

مقاومت درین–سورس در حالت روشن (اهم) : R_DS(on)

بنابراین کاهش مقاومت روشن می‌تواند تلفات هدایت را کم کند؛ به‌خصوص در مبدل‌هایی که جریان زیادی از کلیدها عبور می‌کند. البته مقدار واقعی RDS(on) به ولتاژ گیت، دمای پیوند و شرایط کاری قطعه وابسته است. با افزایش دما، مقاومت روشن ماسفت نیز معمولاً افزایش پیدا می‌کند.

چرا Qg و Qoss مهم هستند؟

دو پارامتر مهم دیگر در طراحی مبدل‌های فرکانس‌بالا عبارت‌اند از:

۱. Gate Charge یا Qg که برای روشن و خاموش کردن ماسفت باید بار الکتریکی مشخصی به گیت آن منتقل شود. این کار توسط Gate Driver انجام می‌شود. هرچه Qg کمتر باشد، معمولاً انرژی مورد نیاز برای شارژ و تخلیه گیت کاهش پیدا می‌کند. توان مصرفی تقریبی درایور گیت را می‌توان با رابطه زیر تخمین زد:

P_gate ≈ Q_g × V_drive × f_s

توان مصرفی راه‌اندازی گیت (وات) : P_gate

شارژ گیت (کولن) : Q_g

ولتاژ راه‌اندازی گیت (ولت) : V_drive

فرکانس سوئیچینگ (هرتز) : f_s

بنابراین با افزایش فرکانس سوئیچینگ، اهمیت کاهش Qg بیشتر می‌شود.

۲. Output Charge یا Qossاین پارامتر به بار الکتریکی مرتبط با ظرفیت خروجی ماسفت اشاره دارد. هنگام تغییر وضعیت کلید، ظرفیت خروجی باید شارژ یا دشارژ شود. در نتیجه، Qoss روی انرژی مورد نیاز برای جابه‌جایی ولتاژ درین ـ سورس و تلفات مربوط به کموتاسیون اثر می‌گذارد. کاهش Qoss می‌تواند در بسیاری از طراحی‌ها به کاهش تلفات سوئیچینگ کمک کند؛ هرچند میزان این بهبود به توپولوژی مبدل، ولتاژ کاری و شرایط سوئیچینگ نرم یا سخت وابسته است.

اهمیت سوئیچینگ بالاتر از یک مگاهرتز

Infineon اعلام کرده است که این خانواده در توپولوژی‌های مناسب می‌تواند از فرکانس‌های سوئیچینگ بالاتر از ۱ مگاهرتز پشتیبانی کند. اما چرا افزایش فرکانس سوئیچینگ اهمیت دارد؟ در یک مبدل DC-DC، افزایش فرکانس می‌تواند امکان کاهش اندازه برخی اجزای مغناطیسی مانند ترانسفورماتور و سلف را فراهم کند. در نتیجه، طراحی فشرده‌تر و چگالی توان بالاتر قابل دستیابی خواهد بود. این موضوع در منابع تغذیه سرورها اهمیت ویژه‌ای دارد؛ زیرا فضای نصب تجهیزات محدود است و در عین حال باید توان بسیار زیادی منتقل شود. با این حال، افزایش فرکانس همیشه به معنای راندمان بالاتر نیست. با بالا رفتن فرکانس، تعداد دفعات روشن و خاموش شدن کلیدها افزایش می‌یابد و اگر انرژی هر بار سوئیچینگ کنترل نشود، تلفات می‌تواند بیشتر شود. به همین دلیل، کاهش Qg، Qoss و RDS(on) در کنار طراحی مناسب مدار، اهمیت پیدا می‌کند. عبارت «بالاتر از ۱ مگاهرتز» نیز به معنی عملکرد تضمین‌شده تمام مدل‌ها در تمام توپولوژی‌ها نیست؛ این قابلیت به شرایط طراحی و مدار مورد استفاده وابسته است.

طراحی برای Hard Switching و Soft Switching

یکی از ویژگی‌های مهم فناوری OptiMOS 7، توجه به نیازهای متفاوت توپولوژی‌های سوئیچینگ است. به‌طور کلی، مبدل‌های قدرت می‌توانند از دو روش اصلی برای تغییر وضعیت کلیدها استفاده کنند:

Hard Switching

در سوئیچینگ سخت، تغییر وضعیت ماسفت زمانی انجام می‌شود که اختلاف ولتاژ و جریان قابل‌توجهی روی کلید وجود دارد. در این شرایط، هم‌پوشانی ولتاژ و جریان هنگام روشن و خاموش شدن می‌تواند تلفات سوئیچینگ ایجاد کند. برای کاهش این تلفات، پارامترهایی مانند Qg، Qoss و نسبت شارژ میلر اهمیت دارند.

Soft Switching

در سوئیچینگ نرم، توپولوژی مدار تلاش می‌کند لحظه تغییر وضعیت کلید را به شرایطی نزدیک کند که ولتاژ یا جریان روی آن به مقدار صفر یا نزدیک صفر برسد. دو مفهوم شناخته‌شده در این حوزه عبارت‌اند از:

• Zero Voltage Switching (ZVS): روشن شدن کلید در شرایطی که ولتاژ دو سر آن نزدیک صفر است.
• Zero Current Switching (ZCS): تغییر وضعیت کلید در شرایطی که جریان عبوری از آن نزدیک صفر است.

در چنین توپولوژی‌هایی، پارامترهای مقاومت روشن و شارژ گیت می‌توانند اهمیت ویژه‌ای داشته باشند.

Infineon در خانواده OptiMOS 7 برای توپولوژی‌های Hard Switching و Soft Switching بهینه‌سازی‌های متفاوتی در نظر گرفته است؛ یعنی هدف صرفاً ارائه یک ماسفت با کمترین RDS(on) نیست، بلکه تعادل میان تلفات هدایت، سوئیچینگ و نیازهای درایور نیز اهمیت دارد.

مشخصات فنی و مدل‌های معرفی‌شده

یکی از مدل‌های شاخص این خانواده، IQE010N04LM7CGSC است. بر اساس اطلاعات دیتاشیت این قطعه، مشخصات اصلی آن به شرح زیر است:

پارامتر	مقدار
نوع قطعه	N-Channel MOSFET
حداکثر ولتاژ Drain-Source	۴۰ ولت
حداکثر RDS(on) در VGS=10V	۱ میلی‌اهم
حداکثر RDS(on) در VGS=4.5V	۱٫۳ میلی‌اهم
شارژ گیت معمولی در VGS=4.5V	۱۸٫۹ نانوکولن
شارژ خروجی Qoss	۴۳ نانوکولن
حداکثر دمای پیوند	۱۷۵ درجه سانتی‌گراد
نوع پکیج	PQFN 3.3×3.3
ساختار پکیج	Source-Down، Center-Gate و Dual-Side Cooling

توجه کنید که Infineon قطعات این خانواده را برای راه‌اندازی با ولتاژ گیت ۵ ولت بهینه کرده است؛ اما مقادیر RDS(on) جدول بالا در ولتاژهای گیت مشخص‌شده در دیتاشیت اندازه‌گیری شده‌اند. بنابراین نباید مقدار ۱ میلی‌اهم در VGS=10V را بدون بررسی به راه‌اندازی ۵ ولتی تعمیم داد.

سایر مدل‌های این خانواده

علاوه بر مدل فوق، قطعات زیر نیز در سبد معرفی‌شده قرار دارند:

شماره قطعه	پکیج	حداکثر RDS(on) در VGS=10V
IQE010N04LM7CG	PQFN 3.3×3.3 Source-Down	۱ میلی‌اهم
IQE010N04LM7CGSC	PQFN 3.3×3.3 Source-Down، Dual-Side Cooling	۱ میلی‌اهم
ISCH65N04LM7SC	PQFN 5×6، Drain-Down	۰٫۶۵ میلی‌اهم
ISCH69N04LM7SC	PQFN 5×6، Drain-Down	۰٫۶۹ میلی‌اهم
ISC011N04LM7SC	PQFN 5×6، Drain-Down	۱٫۱ میلی‌اهم

این تنوع به طراحان اجازه می‌دهد با توجه به جریان مورد نیاز، محدودیت فضای PCB و شرایط دفع حرارت، مدل مناسب را انتخاب کنند.

مدیریت حرارتی؛ چرا پکیج اهمیت دارد؟

در مبدل‌های توان بالا، کاهش تلفات الکتریکی تنها بخشی از مسئله است. گرمای تولیدشده باید از تراشه به PCB یا سیستم خنک‌کننده منتقل شود. در یک طراحی فشرده، حتی چند وات تلفات اضافی می‌تواند دمای قطعات را افزایش دهد و روی قابلیت اطمینان کل سیستم اثر بگذارد. Infineon برای این خانواده از گزینه‌هایی مانند موارد زیر استفاده کرده است:

• پکیج Source-Down
• ساختار Center-Gate
• خنک‌سازی دوطرفه (Dual-Side Cooling)
• پکیج‌های PQFN با ابعاد کوچک

ساختار Source-Down و قابلیت خنک‌سازی دوطرفه می‌توانند در مدیریت حرارت و استفاده از فضای محدود PCB مؤثر باشند. همچنین طراحی Center-Gate می‌تواند در برخی چیدمان‌ها به ساده‌تر شدن موازی‌سازی ماسفت‌ها کمک کند؛ موضوعی که در مسیرهای جریان بالا اهمیت دارد. البته دستیابی به عملکرد حرارتی مناسب تنها به پکیج وابسته نیست. سطح مس PCB، تعداد و آرایش Viaها، مقاومت حرارتی مسیرها، جریان هوا و طراحی سیستم خنک‌کننده نیز باید بررسی شوند.

کاربردهای اصلی OptiMOS 7 40V

این خانواده به‌طور مشخص برای کاربردهایی معرفی شده است که به تبدیل توان با راندمان بالا و چگالی توان زیاد نیاز دارند.

1. منابع تغذیه سرورهای هوش مصنوعی در سرورهای مجهز به GPU، جریان‌های بالا و فضای محدود باعث می‌شوند انتخاب ماسفت‌های مناسب در مراحل DC-DC اهمیت زیادی داشته باشد.
2. مبدل‌های Intermediate Bus Converter این قطعات می‌توانند در بخش‌های کم‌ولتاژ تبدیل انرژی در معماری‌های جدید دیتاسنتر مورد استفاده قرار گیرند.
3. معماری‌های تغذیه ۴۸ ولت در سیستم‌های ۴۸ ولتی، مبدل‌های میانی برای کاهش ولتاژ و تأمین ریل‌های مورد نیاز بردهای پردازشی به کار می‌روند. انتخاب ماسفت مناسب در این مراحل می‌تواند روی راندمان و چگالی توان اثر بگذارد.
4. زیرساخت‌های مخابراتی تجهیزات مخابراتی نیز به منابع تغذیه فشرده و قابل‌اعتماد نیاز دارند. به همین دلیل، MOSFETهای کم‌تلفات می‌توانند در طراحی مبدل‌های DC-DC این تجهیزات کاربرد داشته باشند.

نکات مهم برای مهندسان در انتخاب این قطعات

با وجود بهبودهای اعلام‌شده، انتخاب یک MOSFET قدرت صرفاً بر اساس مقدار RDS(on) انجام نمی‌شود. برای استفاده از این قطعات در یک مبدل DC-DC واقعی، موارد زیر باید بررسی شوند:

1. حاشیه ولتاژ Drain-Source حداکثر ولتاژ VDS این قطعات ۴۰ ولت است. طراح باید ولتاژهای گذرا، رینگینگ و پیک‌های ناشی از اندوکتانس‌های پارازیتی را نیز در نظر بگیرد. این قطعه برای سوئیچینگ مستقیم باس ۸۰۰ ولت مناسب نیست.
2. رفتار سوئیچینگ در توپولوژی واقعی مقادیر Qg و Qoss به‌تنهایی راندمان نهایی را مشخص نمی‌کنند. باید شکل موج‌های VDS و ID، انرژی روشن و خاموش شدن و شرایط کموتاسیون در مدار واقعی اندازه‌گیری شوند.
3. طراحی Gate Driver اگرچه این خانواده برای ولتاژ راه‌اندازی ۵ ولت بهینه شده است، انتخاب مقاومت گیت، جریان درایور و طراحی مسیر Gate Loop همچنان اهمیت دارد.
4. کنترل EMI و رینگینگ سوئیچینگ سریع می‌تواند نرخ تغییر ولتاژ و جریان را افزایش دهد. در نتیجه، طراحی نامناسب انواع بردهای PCB ممکن است باعث نویز الکترومغناطیسی، رینگینگ و روشن‌شدن ناخواسته ماسفت شود.
5. بررسی حرارتی و قابلیت اطمینان دمای پیوند، مقاومت حرارتی، شرایط خنک‌سازی و محدوده عملکرد ایمن (SOA) باید با توجه به شرایط واقعی مدار بررسی شوند.

وضعیت عرضه و دسترسی

Infineon اعلام کرده است که سبد OptiMOS 7 40V معرفی‌شده در حال تولید انبوه است و قطعات برای سفارش و استفاده در طراحی‌ها در دسترس قرار دارند. همچنین شرکت برای این خانواده، مستندات فنی و Application Note شامل نمونه‌های کاربردی و مقایسه عملکرد ارائه کرده است.

جمع‌بندی

معرفی خانواده OptiMOS 7 40V را باید در چارچوب تحول معماری تغذیه دیتاسنترهای هوش مصنوعی بررسی کرد. حرکت به سمت باس‌های DC با ولتاژ بالاتر، مانند ۸۰۰ ولت، به این معنا نیست که اهمیت قطعات کم‌ولتاژ کاهش پیدا می‌کند. برعکس، در مراحل تبدیل انرژی از باس اصلی به ریل‌های میانی و سپس ولتاژهای مورد نیاز پردازنده، هر مقدار کاهش تلفات می‌تواند در مقیاس یک دیتاسنتر بزرگ اهمیت پیدا کند.

Infineon با کاهش مقاومت روشن و بهینه‌سازی پارامترهای Qg و Qoss تلاش کرده است عملکرد ماسفت‌های ۴۰ ولتی خود را برای مبدل‌های سریع و فشرده بهبود دهد. برای مهندسان الکترونیک قدرت، نکته اصلی این معرفی فقط یک نسل جدید از MOSFETها نیست؛ بلکه نشان‌دهنده اهمیت روزافزون طراحی دقیق مرحله‌های DC-DC در زیرساخت‌های پردازشی نسل آینده است.

منابع و مراجع

1. خبر رسمی Infineon – معرفی OptiMOS 7 40V، سوم نوامبر ۲۰۲۶
2. صفحه رسمی فناوری OptiMOS 7 Switching Optimized
3. دیتاشیت رسمی IQE010N04LM7CGSC
4. دیتاشیت رسمی IQE010N04LM7CG
5. معرفی معماری مبدل‌های IBC برای دیتاسنترهای هوش مصنوعی
6. طراحی مرجع Infineon برای مبدل‌های ۸۰۰ ولت DC در دیتاسنترهای AI
7. پروژه توزیع توان DC در Open Compute Project