TI?三大路徑助力數據中心：高精度電池管理、低損耗?GaN?和智能化?MCU

EDN電子技術設計 2025-12-11 08:40

30+硬核演講，洞見EDA與CAE前沿｜KDES上海 瑞薩8月無線技術月，手把手帶你跑通第一個工程

在全球算力需求激增與數字化轉型不斷深化的時代背景下，如何更高效和安全的獲取、儲存和管理能源正以前所未有的速度重塑著各個行業，尤其是對電力需求極為龐大的數據中心領域。如何高效利用可再生能源，滿足未來數據中心日益增長的電力需求，已成為驅動行業可持續發展的關鍵議題。

在第30屆高效電源管理及寬禁帶半導體技術應用論壇上，德州儀器（TI）儲能系統經理孫曉強發表了題為《德州儀器在新一代數據中心電力架構中的產品及系統解決方案》的演講，并接受了《電子工程專輯》的采訪，他將電力架構分為光伏儲能、固態變壓器(SST)以及數據中心本身三大部分，詳細闡述了數據中心電力架構的演進路徑，展現了TI在這一領域的深厚積淀與創新實力。

德州儀器（TI）儲能系統經理孫曉強

電力架構革新：從48V到800V的跨越

隨著AI技術的廣泛應用，數據中心對電力的需求急劇上升。目前，AI數據中心消耗的電力已占全球總電力的1.5%，且未來五年內這一比例可能翻番。面對如此巨大的能源挑戰，如何提供更安全、高效的電力系統成為行業共識。

（圖自：德州儀器，下同）

“從當前主流架構來看，光伏系統在光照充足的偏遠地區進行發電并配置儲能設備，通過變壓器將電力輸向電網，數據中心端則從電網取電，經變壓器將高壓轉化為200-400V交流電，再供給服務器，最后轉換為48V直流電。”孫曉強介紹道，未來，隨著數據中心電力需求的持續增長，電力架構正向高壓400V乃至800V發展，服務器架構內將出現獨立電源邊柜，同時本地BBU和電源備份單元也將應運而生。

“TI在相關領域進行了廣泛的布局和研究，”孫曉強強調，“從數據中心的高壓轉型到光伏、儲能系統的能效優化，TI都提供了成熟的產品和系統方案。”他進一步介紹，TI的GaN系統因其低損耗、高功率密度的優勢，在數據中心高壓轉型中將發揮關鍵作用。例如，TI的GaN器件在新一代數據中心中，能夠實現從48V到800V的高效轉換，顯著降低了系統損耗，提高了能源利用效率。同時，固態變壓器的應用研究也在不斷深入，旨在進一步減少系統損耗，提高系統效率。

“我們的目標不僅是滿足當前需求，更著眼于未來，希望通過我們自身的技術創新助力行業未來發展。”孫曉強的話語中透露出TI對技術創新的執著追求。TI不僅關注產品的性能提升，更注重系統解決方案的優化，通過集成化、智能化的設計，幫助客戶構建更高效、更可靠的數據中心基礎設施。

光伏系統升級：從單向到光儲一體

在光伏領域，孫曉強詳細闡述了光伏系統的升級路徑。從最初的單向光伏系統到如今的光儲一體系統，光伏系統不僅實現了向電網供電的功能，還配備了本地儲能系統，實現了能源的自我平衡。這種變化不僅提高了能源利用效率，還增強了系統的穩定性和可靠性。

TI推出的單級逆變器系統參考設計(TIDA-010954)，是光伏系統升級的一個典型案例。該系統主要使用半橋氮化鎵(GaN)和單模塊高壓氮化鎵，其中包含650V高壓GaN，可直接將光伏板27-60V DC或48V電池電壓逆變為230V AC，省去中間級轉換。整個系統涵蓋了不同品類的TI產品，涉及不同頻段的霍爾電流傳感器以及C2000^TM系列的數字控制器(MCU)，通過優化的電路設計和控制算法，實現單顆MCU完成DC/AC轉換與MPPT控制。

相較于傳統反激式拓撲，該設計將磁性元件體積縮減50%以上，同時將開關頻率推高至250kHz，顯著減小EMI濾波器尺寸。其中，半橋氮化鎵器件的應用，使得逆變器在高壓、大電流條件下仍能保持高效、穩定的運行。而C2000系列數字控制器則提供了強大的實時控制能力，確保了系統對復雜工況的快速響應。

尤為值得一提的是，TI在光伏電弧故障檢測方面取得了突破性進展。傳統方法依賴算法進行電弧檢測，但誤報率高、精度低，難以滿足光伏系統對安全性的高要求。TI的電弧故障檢測方案（TIDA-010955）創新性地引入了邊緣AI技術，通過4通道可配置AFE采集電弧特征信號，利用TMS320F28P55x芯片內置的神經處理單元（NPU）加速器，將AI算法的執行效率提升了5至10倍，實現了約98%的檢測精度。

“這一創新不僅提高了光伏系統的安全性，還為客戶提供了更可靠的能源解決方案。”孫曉強表示。通過邊緣AI技術，TI的光伏電弧故障檢測系統能夠實時、準確地識別電弧故障，及時切斷故障電路，防止火災等安全事故的發生。同時，基于這款參考設計，TI還提供了完整的電弧檢測功能搭建工具包，包括電弧識別的GUI、AI模型訓練工具、部署代碼示例和程序軟件包等，進一步降低了客戶的開發門檻，加速了產品的上市時間。

儲能系統升級：高壓化與無線化

在儲能領域，系統電壓正從1500V向2000V乃至2500V演進，大容量電池（從300Ah到500Ah，未來或達1000Ah）成為降本關鍵。對于大電池應用，被動均衡電流的需求將增大，甚至可能會出現主動均衡的需求。“對于這些提到的相關技術，TI提供了成熟且可供選擇的系統方案。”孫曉強表示，“針對高壓儲能系統，TI提供了菊花鏈和CAN兩種通訊結構的解決方案，以滿足不同客戶的需求。”

其中，高壓監控板是TI高壓儲能系統解決方案的核心部件之一。該板集成了高精度電池監控芯片、IO擴展芯片和藍牙芯片等，實現了對電池狀態的實時監測和精準控制。目前TI的三款參考設計（TIDA-010253、TIDA-010279和TIDA-010272）已全面覆蓋并適用于1500V高壓儲能系統，其中52串可堆疊電池管理單元參考設計TIDA-010279，形成BMU（電池監控單元）、HMU（高壓監控單元）、BCU（電池控制單元）三級架構。

據介紹，BQ78706電池監控芯片實現全溫度范圍（-40°C至125°C）±2.4mV高精度電壓采樣，內置300mA被動均衡電流，支持1Mb/s菊花鏈通訊，功能安全等級達ASIL-B。

在高壓監控層面，BQ79731-Q1芯片實現±0.1%電流采樣精度與±0.5%電壓精度，絕緣阻抗檢測范圍50kΩ至10MΩ，精度±3.75kΩ，滿足ASIL-D等級。電池控制單元則采用AM2634高性能MCU（四核ARM Cortex-R5F，400MHz主頻，2MB RAM），通過BQ79600-Q1菊花鏈轉SPI橋接芯片實現環形冗余通訊架構。

特別值得一提的是，TI的TMP61溫度傳感器相比傳統NTC溫度傳感器，具有更高的線性度和更快的溫度響應速度，是傳統NTC的三倍，特別適用于數據中心這類溫度變化迅速的環境。"在0到70℃范圍內，TMP61的阻抗精度可以達到1%。"孫曉強表示。

同時，針對CAN通訊架構的應用，TI還預留了低成本的M0 MCU，實現了SPI轉CAN通訊的功能，支持儲能系統的靈活通訊。。

除了傳統的有線通訊方案外，TI還推出了無線通訊方案，利用板載藍牙通訊芯片取代傳統CAN通訊，進一步簡化了系統架構。數據顯示，52串無線電池管理單元參考設計（TIDA-010976）正是基于CC2662R-Q1藍牙芯片和BQ78706電池監控芯片，實現了52串電芯的無線電池管理，信號保全率超過95.7%，抗干擾能力達到99.99%。

孫曉強表示：“無線通訊方案的應用，使得儲能系統的安裝和維護更加便捷，同時也提高了系統的靈活性和可擴展性。”通過藍牙通訊技術，客戶可以實時監測儲能系統的運行狀態，進行遠程控制和故障診斷，大大提高了系統的管理效率。

此外，TI還針對高壓儲能系統推出了完整的參考設計，包括高壓監控板、電池控制單元（BCU）和電池管理單元（BMU）等。這些參考設計不僅提供了詳細的硬件設計和軟件算法，還包含了豐富的測試數據和驗證報告，為客戶提供了全方位的技術支持。

固態變壓器：電力架構的革命性突破

固態變壓器作為電力架構革新的重要方向，據預測，2027年后，固態變壓器（SST）將取代傳統50/60Hz工頻變壓器，成為數據中心中壓配電的核心。孫曉強詳細解析了固態變壓器的工作原理和系統構成。

固態變壓器通過多級串接形成高壓范圍，并在DC端并聯輸出以增加工作率和容量。“AC輸入通過級聯連接，級聯數量決定中壓電壓（10-34kVAC）。直流輸出并聯，輸出800V或更高，每個變換器單元中的高頻變壓器實現中壓/低壓隔離。” 孫曉強說道，固態變壓器每個轉換單元包含AC/DC整流、DC/AC逆變、高頻隔離變壓器、AC/DC整流四級變換，AC/DC和DC/AC變換通過內部線圈實現，最終提供800V直流電給數據中心供電。這種設計不僅減小了系統的體積和重量，還提高了系統的效率和可靠性。

在固態變壓器系統中需要兩個MCU協同控制：MCU1負責高壓側功率控制與一次側DC/AC變換，MCU2管理次級側AC/DC轉換。此外，還需要一個主MCU負責實現系統級均衡與安全功能，采用同步通信協議對所有變換器單元進行實時控制。這種分布式控制架構確保固態變壓器在多級級聯下的快速動態響應與系統可靠性。

TI在此領域也進行了深入布局，“C2000系列芯片非常適合數字電源控制應用，”孫曉強推薦道，“該系列芯片具有強大的實時控制能力和高精度的PWM控制功能，能夠實現固態變壓器的高效運行。”

同時，TI還提供了各種驅動芯片和電流采樣方案，如UCC218915驅動芯片和AMC1302隔離運放等，為客戶提供了完整的固態變壓器解決方案。

TI已發布的TIDA-010210參考設計，便是一款11kW三相中點鉗位三電平變換器的AC到DC電路設計。該參考設計采用采用LMG3422R030 600V 30mΩ GaN FET，集成驅動、保護以及溫度監控，效率滿載超過98%，實現了高效、可靠的AC/DC轉換。通過這款參考設計，客戶可以快速評估固態變壓器的性能和可靠性，降低開發風險和成本。

對于DC到DC變換器，TI采用DAB架構，“此參考設計使用單管，若需要兼容更高電壓，可串聯更多開關管。”孫曉強表示，“從整體算法上來說，這是完全一樣的，可以作為參考。”

數據中心高壓電源：GaN技術賦能高效架構

在數據中心領域的當前架構中，需要將交流電轉換為800V高壓直流電，并配備帶有電池的本地備份單元，然后經過高壓轉換，由800V的DC/DC轉換為48V，為板上芯片供電。TI同樣提供了全面的高壓電源解決方案，其中GaN芯片和C2000數字電源控制芯片發揮了關鍵作用。

從AC/DC轉換到DC/DC轉換，TI的芯片幾乎在每一個環節都有所應用。例如，在AC/DC轉換環節，TI的GaN芯片能夠實現高效、穩定的電能質量轉換，將交流電轉換為直流電，為數據中心提供穩定的電源輸入。而在DC/DC轉換環節，TI的C2000數字電源控制芯片則提供了強大的實時控制能力和高精度的PWM控制功能，確保了數據中心內部各組件的穩定運行。

未來 TI 針對 AC轉800V，以及800V或正負400V轉12V的高壓直流（HVDC）的設計研究值得關注。

“TI的GaN芯片集成內部驅動，能夠減少開關損耗，并提供可靠的保護功能，”孫曉強介紹道，“同時，我們的創新封裝設計有助于提高散熱特性，確保系統在高負載下的穩定運行。”TOLL封裝實現>98%效率與>100W/in3功率密度。其內部集成驅動器將關斷損耗降至接近零，零電壓監測（ZVS）功能無需外部電路即可優化死區時間，集成OCP/SCP/OTP/UVLO保護功能，十分適配數據中心負載突變場景。

此外，TI還針對低壓48V BBU場景推出了低成本、高精度的電池管理系統設計（TIDA-010247）。該參考設計采用了低成本、高精度的BQ76972電池檢測芯片和高性價比的MSPM0系列MCU，實現了對48V電池系統的實時監測和精準控制，也形成了從高壓到低壓的完整BMS方案矩陣。通過這款參考設計，客戶可以快速構建出高效、可靠的電池管理系統，滿足數據中心對備用電源的多樣化需求。

持續深耕創新，助力行業發展

在采訪的最后，孫曉強總結了TI在儲能、光伏和電力架構領域的布局與成果，并展望了未來的發展方向。TI在高精度電池管理、集成和低損耗的GaN以及更智能化的C2000數字電源控制技術方面已有成熟產品，他強調，“TI 有著十分豐富的產品組合，在官網上客戶可以選型和購買的芯片達8萬多種。同時，TI 也有一個具備深入專業知識的系統團隊，他們的主要職責就是將這些芯片集成到一個系統中，進而幫助客戶更快速的開發產品。”

在能源變革不斷推進的行業大背景下，德州儀器在下一代能源架構上的創新發展動向值得我們關注，從本次技術論壇上強調的要點看來，公司未來在系統設計、芯片集成以及智能化控制等核心領域，會進一步加大研究投入，并計劃推出更多相關參考設計。這對于行業來說釋放了積極信號，有助于AI數據中心產品更高效地進行電源架構方面的設計、驗證和評估，加速產品上市進程。

“未來國內數據中心大約80%的電力需求將由綠色能源滿足”。這意味著數據中心將直接部署光伏發電和儲能系統，形成"光伏發電-儲能-數據中心"的閉環，省略了傳統架構中交流到直流的轉換環節，使系統更加簡化高效。孫曉強總結道，“我們相信，通過持續的創新和努力，TI將能夠與行業一同走向更加綠色、可持續的未來。”

德州儀器（TI）（納斯達克股票代碼：TXN）是一家全球性的半導體公司，從事設計、制造和銷售模擬和嵌入式處理芯片，用于工業、汽車、個人電子產品、企業系統和通信設備等市場。我們致力于通過半導體技術讓電子產品更經濟實用，讓世界更美好。如今，每一代創新都建立在上一代創新的基礎上，使我們的技術變得更可靠、更經濟、更節能，從而實現半導體在電子產品領域的廣泛應用。登陸 TI.com.cn 了解更多詳情。自 1986 年建立北京代表處以來，德州儀器持續助力中國市場。我們同諸多市場的客戶開展合作，提供全方位支持，滿足客戶的設計需求，助力客戶成功。

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