數(shù)據(jù)中心交換機高速率發(fā)展，需要哪些電感與電容元件？
電子發(fā)燒友網(wǎng)報道（文/李寧遠）在算力向更高水平發(fā)展的推動下，數(shù)據(jù)迎來了爆炸性增長。數(shù)據(jù)中心需要處理越來越多的數(shù)據(jù)，并且這些數(shù)據(jù)還在逐年增加，對計算能力的需求也同樣如此。
不斷提高的算力需求推動了大功率數(shù)據(jù)機架和更高效的數(shù)據(jù)中心建設(shè)，云計算數(shù)據(jù)中心網(wǎng)絡拓撲結(jié)構(gòu)也在持續(xù)升級演進，市場對數(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)中心交換機市場發(fā)展
數(shù)據(jù)中心交換機市場是一個穩(wěn)步增長的市場，根據(jù)相關(guān)數(shù)據(jù)，國內(nèi)交換機市場規(guī)模已經(jīng)從2019年的380億元擴張到2023年的685億元，較2022年增長了16%，預計2024年可以達到749億元。
其中，以太網(wǎng)交換機占比約50%，以太網(wǎng)交換機是基于以太網(wǎng)進行數(shù)據(jù)傳輸?shù)亩?a target="_blank">端口網(wǎng)絡設(shè)備，隨著以太網(wǎng)的發(fā)展，交換機也在不斷演進，為了更快速的局域網(wǎng)連接，千兆以太網(wǎng)甚至萬兆以太網(wǎng)技術(shù)已經(jīng)被應用起來。
這背后的主要推動因素有三，其一是數(shù)字化轉(zhuǎn)型需求，其二是云計算和大數(shù)據(jù)的普及，其三是現(xiàn)在進展頻頻的AI/Chat GPT等新技術(shù)。在這些因素的多重作用下，通信帶寬越來越高，交換機作為數(shù)據(jù)傳輸?shù)暮诵脑O(shè)備，其市場空間發(fā)展前景還是很廣闊的。
從交換機成本結(jié)構(gòu)來看，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，都占比10%，然后是殼體成本占比8%，PCB占比7%。
交換機中的被動元件
目前交換機應用，25G、100G應用得還是最廣的，不過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。傳輸速度的演進其實對電源水平有著相應的要求。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，這對電源的選用來說是很大的考驗。
在交換機電源的設(shè)計中，EMI是非常重要的三個指標。EMI在電源設(shè)計中向來是很困難的一部分，電路板布局、雜訊屏蔽，架構(gòu)設(shè)計等都會影響EMI等級，功率電感、磁珠、共模扼流線圈的應用相當關(guān)鍵。
眾所周知光電轉(zhuǎn)換是交換機的核心環(huán)節(jié)，尤其是現(xiàn)在吞吐量需求越來越大，光模塊封裝也在不斷改變。目前常見的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對應的是4.7uH、OSFP對應的是0.47uH。未來LC濾波電路上電流還會增加，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出現(xiàn)巨大變化，整體也更穩(wěn)定。
總的來說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，應用也是很廣泛的，主打一個高性價比，在濾除高頻噪聲上效果很好，在交換機應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上更受歡迎。
交換機數(shù)據(jù)傳輸接口、差分線路接口都在往更高的速度迭代，傳輸速率的提高帶來了更多的高頻共模噪聲干擾。共模電感自然也是常用且性價比很高的EMI解決辦法。為了應對傳輸速率上去之后，交換機線路上高頻噪聲的頻點就會越來越高，共模電感的抑制頻點也會要求越來越高，共模電感也呈現(xiàn)出高頻化的發(fā)展趨勢。
在高頻場景下，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。
電容在交換機中也有著很多應用，比如在交換機電源Hold Up性能設(shè)計中就需要在電源內(nèi)部使用高壓大容值的電容，來提高斷電后滿負載的主電壓輸出能力，這是很關(guān)鍵的一項性能指標。
從整個交換機應用上來看，隨著交換設(shè)備速率的不斷提高，對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，同時在使用溫度方面，電容也需要能夠達到105°甚至更高，滿足不同溫度場景的使用需求。
CPU作為數(shù)字中心交換機的核心，其供電回路需要大量的高容值電容來進行電源輸出優(yōu)化以實現(xiàn)長期穩(wěn)定地運行。高容值陶瓷電容在這里很受歡迎，同時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，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。
這條線路對阻抗也有比較高的要求，追求大容值的同時解決阻抗問題？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、車載等高頻應用里都能發(fā)揮出很好的性能，在實際使用回路中能夠更好地替代兩端子電容，讓回路阻抗得到進一步的改善。
小結(jié)
數(shù)據(jù)中心交換機的快速發(fā)展，和應用在其中的必不可少的被動元件有著千絲萬縷的聯(lián)系。交換機向更高速率迭代的同時，也大大推進了電感和電容產(chǎn)品的發(fā)展。
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