CN216118770U - 高功率扩展卡 - Google Patents

Abstract

提出了一种高功率扩展卡，包括：直流电压源模块，其配置为提供第一直流输出；与直流电压源模块电连接的热插拔保护模块，其接收直流电压源模块提供的第一直流输出，且配置为对第一直流输出进行实时监测和保护并提供第二直流输出；与热插拔保护模块电连接的多相数控供电模块，其接收热插拔保护模块提供的第二直流输出且包括多个多相数控制子模块，且配置为对第二直流输出进行分配以提供第三直流输出；与多相数控供电模块通信连接的供电控制模块，其配置为与多相数控供电模块协作，以提供对第三直流输出的实时监测和控制；以及与多相数控供电模块电连接的芯片模块，其接收多相数控供电模块提供的第三直流输出以提供给一个或多个高功率芯片。

Description

高功率扩展卡

技术领域

本发明涉及扩展卡，特别是用于高功率芯片的高功率PCIe扩展卡

背景技术

在计算机领域，随着机器学习、人工智能、深度学习等计算需求的不断增加，对于支持人工智能训练以及FPGA等集成式大功耗芯片的PCIe扩展卡产品提出了越来越高的要求。目前，PCIe协会针对PCIe扩展卡的电源功耗规范上限为295W，而随着许多高运算力、高功率芯片的问世，其功耗要求通常高于295W。因此，现有的PCIe扩展卡产品无法满足人工智能计算的日益增长的需求。

本发明的目的是提出一种用于高功率芯片的高功率PCIe扩展卡，以满足为高功率芯片提供稳压直流电源供应的需求。

发明内容

根据本发明的一个方面，提出了一种高功率扩展卡，包括：直流电压源模块，其配置为提供第一直流输出；与所述直流电压源模块电连接的热插拔保护模块，其接收所述直流电压源模块提供的所述第一直流输出，且配置为对所述第一直流输出进行实时监测和保护并提供第二直流输出；与所述热插拔保护模块电连接的多相数控供电模块，其接收所述热插拔保护模块提供的所述第二直流输出且包括多个多相数控制子模块，且配置为对所述第二直流输出进行分配以提供第三直流输出；与所述多相数控供电模块通信连接的供电控制模块，其配置为与所述多相数控供电模块协作，以提供对所述第三直流输出的实时监测和控制；以及与所述多相数控供电模块电连接的芯片模块，其包括一个或多个高功率芯片，并接收所述多相数控供电模块提供的所述第三直流输出以提供给所述一个或多个高功率芯片。

根据本发明的高功率扩展卡至少具有以下优点：可以可靠地为高功率芯片提供稳压直流供应，并通过电源供电设计和控制模块设计，可以输出多组稳压直流供应并对各组稳压直流供应进行实时监测和控制；以模块化设计进行规划，与现有产品相比，可以更精确地监控电源的输出状态以确保系统稳定度，模块化设计还可以有效地缩小PCB占板面积以实现紧凑的布局并实现小型化目的；支持热插拔设计，当需要更换扩展卡时，可以对扩展卡直接进行热插拔，从而可灵活并安全地进行产品调度和管理。

在一些实施例中，根据本发明的高功率扩展卡还可以包括独立于所述多相数控供电模块的小型化功率模块，所述小型化功率模块与所述芯片模块电连接，以为所述芯片模块的所述一个或多个高功率芯片提供第四直流输出。该小型化功率模块可以作为辅助/备用的直流供电模块，为系统周边电源以及主芯片辅助电源供电，可以进一步提升PCB板的布局布线效率。

在一些实施例中，所述热插拔保护模块可以包括：控制器；与所述控制器通信连接的多组栅极模块；以及与每组栅极模块并联地通信连接的多个功率mos管，所述多个功率mos管接收所述第一直流输出并提供所述第二直流输出，其中，所述控制器配置为控制所述栅极模块对所述多个功率mos管进行功率分配。在另一些实施例中，所述控制器可以配置为，当所述多个功率mos管中的一个或多个发生故障时，控制所述栅极模块对其余正常的功率mos管重新进行功率分配。通过栅极模块对功率mos管进行功率分配，而当某一路功率mos管异常时，栅极模块会进行重新进行功率分配以确保正常的供电能力，以满足高功率备援的系统级需求。

在一些实施例中，所述热插拔保护模块还可以包括突波吸收器，所述突波吸收器布置在所述第一直流输出和所述多个功率mos管之间，以在热插拔时对在所述第一直流输出中产生的突波电压进行滤波稳压。在另一些实施例中，所述热插拔保护模块还可以包括布置在所述突波吸收器和所述多个功率mos管之间的以下各项中的一个或多个：过电压保护子模块；低电压保护子模块；过电流保护子模块；以及缓启动开关。

在一些实施例中，所述供电控制模块还可以配置为对所述多相数控供电模块进行温度监测。在另一些实施例中，所述供电控制模块可以包括以下各项中的一个或多个，以提供对所述第三直流输出的实时监测和控制：启动时序控制子模块；爬升斜率控制子模块；输出电平控制子模块；输出/输入功率监测子模块；以及输出异常保护控制子模块。

在一些实施例中，所述小型化功率模块可以包括集成式功率芯片内建mos管，并且可以配置为提供对所述第四直流输出的输出状态监测和电流限制，且其中所述第四直流输出为50W。

在一些实施例中，所述第三直流输出不小于700W。

附图说明

以下参考附图以举例的方式来进一步说明本发明的实施例，附图构成本说明书的一部分，在附图中：

图1是根据示例性实施例的扩展卡的示意性总体模块图；

图2是根据示例性实施例的热插拔保护模块的示意图；

图3是根据示例性实施例的多相数控供电模块和供电控制模块的示意图；以及

图4是根据示例性实施例的小型化功率模块的示意图。

具体实施方式

以下结合具体的实施例并参考附图，对根据本发明的高功率扩展卡进行更详细地阐述。在附图中，实线箭头表示电力供应的方向(在本文中可能称为模块之间的“电连接”)，虚线箭头表示信号传递的方向(在本文中可能称为模块之间的“通信连接”)。应当理解的是，在以下阐述中，省略了对本领域技术人员公知的一些细节的具体描述，以免不必要地模糊本发明的概念。还应当理解的是，附图仅是示例性的，且不一定按照比例绘制。

首先参考图1，示出了根据示例性实施例的PCIe扩展卡100(以下简称扩展卡100)的示例性总体模块图。在一些实施例中，根据PCIe协会定义的标准，扩展卡100的板卡尺寸设定为高度111.28mm*长度266.7mm，其金手指端板卡厚度为1.62mm，此板卡尺寸可以兼容所有市售标准的GPU服务器。

如图1所示，扩展卡100包括直流电压源模块101、热插拔保护模块102、供电控制模块103、多相数控供电模块104、小型化功率模块105和芯片模块106。扩展卡100以模块化设计进行规划，与现有扩展卡产品相比，可以更精确地监控电源的输出状态以确保系统稳定度，模块化设计还可以有效地缩小PCB占板面积以实现紧凑的布局并实现小型化目的。另外，应当理解的是，上述模块是为实现本发明的目的而必需的模块，根据实际需要，当然还可以在此基础上增加额外的模块或元件等。

以下针对各个模块及其相互之间的连接关系来更详细地阐述本发明的基本理念。

参考图1，直流电压源模块101是外部供应的直流电压源，其例如可采用两路8PIN标准的EPS形式的接头，以将12V的直流电压输入供应至热插拔保护模块102，作为扩展卡100的主要电源来源。

参考图1并同时参考图2，图2更详细地示出了根据示例性实施例的热插拔保护模块102。在热插拔保护模102接收到来自外部直流电压源的12V的直流输出时，会持续地对该直流输出进行功率分配、检测和保护，直到断电。

如图2所示，热插拔模块102包括2组4个功率mos管、与每组的2个功率mos管通信连接的栅极模块，以及与栅极模块通信连接的控制器。控制器可以控制栅极模块对功率mos管进行功率分配，且当某一路功率mos管异常时，控制器会控制栅极模块对剩余的功率mos管重新进行功率分配，以确保正常的供电能力，以满足高功率备援的系统级需求。

继续参考图2，在功率mos管的上游还设置有突波吸收器、过电压保护子模块、低电压保护子模块、过电流保护子模块和缓启动开关，提供对直流输出的实时监测和保护。具体来说，当对扩展卡100进行热插拔时，在12V的直流输出进入热插拔模块102之后，会首先进入突波吸收器，以对进行热插拔时所产生的突波电压进行滤波稳压；在离开突波吸收器之后，直流输出进入过电压保护子模块和低电压保护子模块，以对直流输出进行过电压保护和低电压保护；在离开过电压保护子模块和低电压保护子模块之后，直流输出进入过电流保护子模块和缓启动开关，由控制器确认输入和输出状态都无异常之后，再由栅极模块进行功率分配并启动功率mos管。由此，通过上述突波吸收器、过电压保护子模块、低电压保护子模块、过电流保护子模块和缓启动开关，可对热插拔模块102提供的直流输出进行实时监测和保护，以确保供电稳定度。

接下来，参考图1并同时参考图3，图3更详细地示出了根据示例性实施例的多相数控供电模块104和供电控制模块103。如图3所示，热插拔模块102产生的12V的直流输出汇入多相数控供电模块104，多相数控供电模块104与供电控制模块103协作，采用多相数同步整流降压设计，进行多相数并联以达成高密度高功率，并针对最终芯片需求对直流输出进行分配以及实时监测和控制。根据本发明的实施例，通过多相数控供电模块104与供电控制模块103，可提供高达700W的功率输出。

更具体地，如图3所示，多相数控供电模块104包括四个多相数控供电子模块A、B、C、D，虽然在图示的实施例中示出为4个，但在替代实施例中，子模块的数量可以根据实际需要变化。每个多相数控供电子模块A、B、C、D分别与供电控制模块103中的具有不同电平的电源轨A、B、C、D通信连接，从而可经由与电源轨A、B、C、D通信连接的微处理器设定相应的电平的电流分配以及相位控制，从而产生芯片所需的四个电压Vout_A、Vout_B、Vout_C、Vout_D，共计20个相数。另外，在一些实施例中，供电控制模块103还提供各种保护机制以对直流输出进行监测和控制，以确保供电稳定度。例如，供电控制模块103可以包括启动时序控制子模块、爬升斜率控制子模块、输出电平控制子模块、输出/输入功率监测子模块和输出异常保护控制子模块，等等。另外，在一些实施例中，供电控制模块103还提供对多相数控供电模块104的温度监测，以进一步优化散热并提升元器件的使用寿命。

接下来，参考图1并同时参考图4，图4更详细地示出了根据示例性实施例的小型化功率模块105。小型化功率模块105独立于多相数控供电模块104与供电控制模块103，其电源输入由PCIe卡槽提供，功率例如约为50W。小型化功率模块105可以作为辅助/备用的直流供电模块，为系统周边电源以及主芯片辅助电源供电。在一些实施例中，小型化功率模块包括集成式功率芯片内建mos管，并且提供对直流输出的输出状态监测和电流限制等。在一些实施例中，小型化功率模块105的布局和布线均在物理上接近芯片模块106的近端，这可以进一步提高供电效率。

最后，仍参考图1，图1示出了芯片模块106，芯片模块106包括多个高功率芯片，例如人工智能训练芯片，例如HPC/NPU/FPGA/AI等芯片，其例如可支持nVIDIA、PWMVID和AMDSVI2等协议。如前所述，芯片模块106可经由多相数控供电模块104和小型化功率模块105分别供电，可支持高达700W的设计功耗。

尽管已经参考上述实施例描述了本发明，但是本领域技术人员将会理解，在不脱离如所附的权利要求所限定的本发明的理念和范围的情况下，可以做出各种改变。

虽然本说明书包含许多具体的实现方式的细节，但是这些不应该被解释为本发明要求保护的范围的限制，而是作为针对于特定实施例的特征的描述。本发明的范围由所附权利要求及其等同物来限定，而不限于前面描述的实施例。

Claims (10)

1.一种高功率扩展卡，其特征在于，包括：

直流电压源模块，其配置为提供第一直流输出；

与所述直流电压源模块电连接的热插拔保护模块，其接收所述直流电压源模块提供的所述第一直流输出，且配置为对所述第一直流输出进行实时监测和保护并提供第二直流输出；

与所述热插拔保护模块电连接的多相数控供电模块，其接收所述热插拔保护模块提供的所述第二直流输出且包括多个多相数控制子模块，且配置为对所述第二直流输出进行分配以提供第三直流输出；

与所述多相数控供电模块通信连接的供电控制模块，其配置为与所述多相数控供电模块协作，以提供对所述第三直流输出的实时监测和控制；以及

与所述多相数控供电模块电连接的芯片模块，其包括一个或多个高功率芯片，并接收所述多相数控供电模块提供的所述第三直流输出以提供给所述一个或多个高功率芯片。

2.如权利要求1所述的高功率扩展卡，其特征在于，还包括独立于所述多相数控供电模块的小型化功率模块，所述小型化功率模块与所述芯片模块电连接，以为所述芯片模块的所述一个或多个高功率芯片提供第四直流输出。

3.如权利要求1-2中任一项所述的高功率扩展卡，其特征在于，所述热插拔保护模块包括：

控制器；

与所述控制器通信连接的多组栅极模块；以及

与每组栅极模块并联地通信连接的多个功率mos管，所述多个功率mos管接收所述第一直流输出并提供所述第二直流输出，

其中，所述控制器配置为控制所述栅极模块对所述多个功率mos管进行功率分配。

4.如权利要求3所述的高功率扩展卡，其特征在于，所述控制器配置为，当所述多个功率mos管中的一个或多个发生故障时，控制所述栅极模块对其余正常的功率mos管重新进行功率分配。

5.如权利要求4所述的高功率扩展卡，其特征在于，所述热插拔保护模块还包括突波吸收器，所述突波吸收器布置在所述第一直流输出和所述多个功率mos管之间，以在热插拔时对在所述第一直流输出中产生的突波电压进行滤波稳压。

6.如权利要求5所述的高功率扩展卡，其特征在于，所述热插拔保护模块还包括布置在所述突波吸收器和所述多个功率mos管之间的以下各项中的一个或多个：

过电压保护子模块；

低电压保护子模块；

过电流保护子模块；以及

缓启动开关。

7.如权利要求1-2中任一项所述的高功率扩展卡，其特征在于，所述供电控制模块还配置为对所述多相数控供电模块进行温度监测。

8.如权利要求1-2中任一项所述的高功率扩展卡，其特征在于，所述供电控制模块包括以下各项中的一个或多个，以提供对所述第三直流输出的实时监测和控制：

启动时序控制子模块；

爬升斜率控制子模块；

输出电平控制子模块；

输出/输入功率监测子模块；以及

输出异常保护控制子模块。

9.如权利要求2所述的高功率扩展卡，其特征在于，所述小型化功率模块包括集成式功率芯片内建mos管，并且配置为提供对所述第四直流输出的输出状态监测和电流限制，且其中所述第四直流输出为50W。

10.如权利要求1或2所述的高功率扩展卡，其特征在于，所述第三直流输出不小于700W。

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