AI服务器转向800V供电热插拔电路为何必须重新设计

AI服务器的供电架构正在向800V发展。过去一年，围绕这一变化，半导体厂商陆续公布了高压AC/DC、DC/DC转换器、SiC和GaN功率器件，以及面向兆瓦级机架的电源解决方案。

除了关键电源变化路径之外，热插拔也是必须的升级项，从而支持计算模块在带电状态下插拔时，避免浪涌电流冲击高压母线，同时也可实现短路保护。

在800V直流母线上，热插拔电路不仅要控制上电电流，还要处理高压功率器件的线性区损耗、故障能量、隔离通信以及断电后的残余电压。

2026年10月，TI发布技术白皮书《Hot-Swap Solutions for High-Voltage DC-Powered AI Servers》，梳理了热插拔技术从12V、48V到800V的演进，并介绍了面向800V直流配电的隔离式热插拔控制器LMI800PS。

与此同时，英飞凌也是推出了XDP8HD40S-1，高压热插拔控制器，专为下一代AI服务器电源架构中的数字电源路径保护和监控而设计，适用于±400伏和800伏直流电（VDC）环境。

ADI此前也宣布开发面向800V AI服务器的高压热插拔和电源管理方案。

另外，英飞凌、ST、安森美也正在从SiC MOSFET和JFET等功率器件方面展开布局。

从12V到48V，热插拔电路经历了什么变化？

热插拔技术在服务器中已经应用多年。对于需要持续运行的数据中心，服务器板卡、存储模块和其他可维护单元通常需要带电插拔。

当板卡接入带电背板时，会存在浪涌电流。

主要原因是，服务器板卡的电源入口通常布置有大量输入电容，用于稳定供电电压、抑制瞬态扰动。当板卡尚未接入电源时，这些电容可能处于未充电状态。一旦直接连接带电母线，电容会在极短时间内吸收较大的充电电流，形成浪涌。

浪涌电流可能引起母线电压跌落，干扰其他服务器模块，严重时还可能损坏连接器、功率开关及相关器件。

热插拔控制电路的原理，是通常通过控制串联MOSFET，使输入电容逐步充电，同时监测电流、电压和故障状态。如果MOSFET直接完全导通，相当于把12V电源突然接到一个尚未充电的电容上，可能产生很大的浪涌电流。所以，热插拔控制器不能让MOSFET一下子完全打开。它会调节MOSFET的栅极电压，使MOSFET处于受控的部分导通状态，限制流向电容的电流。

热插拔电路示意图

在早期12V服务器中，常见方案是使用外部MOSFET、采样电阻和热插拔控制器。控制器测量MOSFET两端电压和流经器件的电流，并据此限制功率损耗，使MOSFET在启动期间保持在安全工作区（SOA）以内。

MOSFET的SOA 示意图

MOSFET的SOA规定了器件在不同漏源电压、电流和持续时间下允许工作的范围。热插拔启动时，MOSFET需要通过限制电流为输出电容充电，此时器件两端可能承受较高电压，并产生远高于正常导通状态的功率损耗。如果电压、电流和持续时间的组合超出SOA，即使没有超过MOSFET的额定耐压和额定电流，器件仍可能因过热或局部热失稳而损坏。

随着服务器功率增加，单纯依靠功率限制的方式开始面临挑战。因为输出电容越大，启动时需要转移的能量也越多，MOSFET可能需要在较高功率下工作更长时间。

为此，需要控制实现准确控制，这个在下文单独说明。

TI LM25066 热插拔控制器电路图

之后，集成MOSFET的电子保险丝（eFuse）逐渐应用于高密度服务器。TI的12V高电流eFuse方案能够在4.5mm×5mm的封装尺寸内支持60A RMS电流，并提供过流消隐、故障记录、启动同步和负载共享等功能。多个eFuse还可以并联，以满足更高电流需求。

而进入48V时代，服务器热插拔的设计发生了些许变化。

在相同功率下，将配电电压从12V提高到48V，可以使电流下降75%。如果导体电阻不变，电阻损耗理论上降低至原来的1/16。

不过，GPU服务器的负载特征也发生了变化。与传统服务器相比，GPU负载的电流幅度、变化速度和瞬态频率都可能更高。热插拔电路既要限制启动浪涌，又要允许正常运行期间出现较大的负载瞬态，避免误触发过流保护。

MOSFET的设计也开始出现更明确的需求。

以TI的LM5066H2为例，该控制器采用双栅极驱动架构，让一颗具有较强SOA能力的MOSFET承担启动和故障期间的功率应力，再利用多颗低导通电阻MOSFET承担正常运行电流。

TI应用于48V的双驱动系统

这种设计将启动期间的线性区工作能力与稳态导通损耗分别优化。TI表示，在超过4kW的48V电源设计中，LM5066H2方案可以使整体尺寸缩小约40%。

与此同时，48V eFuse也在发展。TI的TPS1685系列采用集成式功率开关，并支持并联扩展，以适应更高功率密度的服务器电源需求。

浪涌电流控制方法

在热插拔启动过程中，功率器件需要为服务器板卡上的输入电容充电。此时，MOSFET或JFET两端可能存在较高电压，同时还要承受充电电流，因此启动阶段往往是器件功率应力最大的工况之一。

安森美在其高压热插拔应用笔记AND90399中介绍了两类主要的浪涌电流控制方法：dv/dt控制和主动限流，后者又可分为连续闭环和间歇闭环两种工作模式。

dv/dt控制利用电容充电电流与电压上升速度之间的关系来限制浪涌电流。根据I=C×dv/dt，在负载电容一定时，只要降低输出电压的上升速度，就能减小启动电流。具体实现上，控制器向功率器件栅极提供恒定驱动电流，并利用栅漏电容Cgd控制电压变化速度。通过增加外接Cgd，可以进一步降低启动电流，使功率器件承受的应力保持在SOA允许范围内。

dv/dt的原理图

另一种方法是连续闭环限流。控制器实时检测负载电流，并与预设值比较，再通过调节栅极驱动将充电电流维持在设定水平。

不过，连续限流也存在限制。电流检测和控制电路具有一定的分辨率，如果最低可控电流仍然超过功率器件在相应电压和持续时间下的SOA能力，就不能简单地让器件持续限流。

为此，安森美也介绍了间歇闭环限流方式。控制器以最低可控电流短时间导通功率器件，在达到SOA限制之前关断，并在两次充电脉冲之间留出冷却时间。通过反复充电和冷却，可以在满足电流控制分辨率要求的同时，避免功率器件持续承受过高的热应力。

连续闭环限流原理图

到了800V，还会有什么变化？

推动服务器采用800V直流配电的重要原因，是机架功率的快速增长。

在NVIDIA提出的下一代AI基础设施架构中，机架功率正向兆瓦级发展。如果继续使用48V母线传输1MW功率，理论电流将达到约20.8kA。如此大的电流会对母排尺寸、连接器、配电损耗和散热提出很高要求。

将配电电压提高至800V后，同样1MW功率对应的理论电流下降至1250A。可以显著降低主配电线路的电流。

800V架构对于任何一个电源变换环节都带来了新挑战，热插拔也同样。

首先需要考虑功率器件的耐压。传统12V、48V服务器中使用的低压MOSFET无法直接用于800V母线，需要使用1200V SiC MOSFET和SiC级联JFET两类器件。

但器件耐压只是其中一个条件。

另外，热插拔MOSFET在启动期间通常需要工作在线性区，而不是像DC/DC转换器中的开关管一样，主要在完全导通与关断状态之间切换。

假设一个800V系统通过串联功率器件限制电容充电电流，在启动初期，输出电容电压接近零，功率器件两端承受接近800V的压降，如果此时充电电流为2A，器件瞬时耗散功率便接近1.6kW。

随着电容电压逐渐升高，功率器件两端的压降下降，损耗才逐步减小。

这也给功率器件的SOA带来了挑战。

对于高压SiC器件，不能仅根据1200V耐压、导通电阻和额定电流判断其是否适合热插拔。工程师还需要检查线性区SOA、脉冲持续时间、结温以及重复启动条件等等。

输出电容储存的能量同样不能忽略。

电容储能公式为：E = 1/2 × C × V²

假设800V服务器电源入口有1mF的总电容，充满电后的储能为320J。如果采用理想恒压源和串联线性限流方式充电，串联功率器件在整个充电过程中需要耗散约320J能量。

这还没有考虑连接器寄生电感、母线瞬态、其他负载以及故障条件。因此，高压系统必须更加关注启动和故障能量。

另外，短路保护也更难处理。

在输出短路或启动进入短路负载时，串联功率器件可能同时承受很高的漏源电压和故障电流。如果控制器试图通过长时间线性工作区限流维持输出，器件可能迅速过热。

因此，800V热插拔不仅需要限制启动电流，还要根据器件SOA设置功率限制、故障计时和关断策略。

高压热插拔，为什么需要重新设计隔离？

在传统低压服务器中，热插拔控制器通常可以与功率器件一个电压系统，电流检测、栅极驱动和系统管理之间的电位关系相对简单。

800V直流配电则存在多种不同的母线和接地架构。

800V直流配电不只有一种接线方式，TI列出了几种，包括三线±400VDC、两线±400VDC、两线800VDC，以及采用高阻接地保护的800VDC架构。

这些架构会直接影响热插拔开关的位置。

例如，在两线800V系统中，保护开关可以布置在高侧；在某些±400V架构中，正负母线可能都需要设置热插拔保护。对于采用不同接地方式的系统，控制器的参考地还可能处于较高的共模电位。

这带来了两个问题。

一是如何为高压侧控制器提供工作电源，二是如何把高压侧采集的电流、电压和故障信息安全传递到低压域。

传统分立方案可以使用隔离栅极驱动器、电流和电压检测电路、数字隔离器、辅助隔离电源以及MCU实现这些功能。

但对于空间有限的服务器托盘，多个隔离器件、辅助电源和外围元件会增加PCB面积，也使电源启动时序、故障协调和绝缘设计更加复杂。

TI此次介绍的LMI800PS，就是针对这一问题开发的高压热插拔控制器。

用两颗LMI800PS分别控制±400V DC电源线

该器件将热插拔控制、电源隔离和信号隔离集成在一起，通过浮动本地参考地，使控制器能够适应不同母线位置，并与低压系统交换控制及状态信息。

LMI800PS提供可配置栅极驱动和功率限制功能，功率限制门限最低可以设置至200W，并可通过定时功能调整保护行为。

这使工程师能够根据所选SiC功率器件的SOA，设置启动期间允许的功率和持续时间。

英飞凌的热插拔控制器

无独有偶，英飞凌也于近日公布了其新款热插拔控制器的技术路线，同样采用了电容隔离技术，不过英飞凌的XDP8HD40S-1热插拔控制器，可以支持30V至1500V的宽输入电压范围，为1500V IBC架构提供了基础。

英飞凌高级副总裁兼电源系统IC业务线负责人Magdalene Boebel表示：“未来的AI数据中心需要兼具高效率、高可靠性和全面保护功能的电源输送系统。XDP8HD40S-1使系统设计人员能够为±400V和800V电源架构实现可靠的热插拔解决方案，同时提供必要的监控和保护功能，从而最大限度地延长服务器正常运行时间和提高运行效率。”

XDP8HD40S-1专为各种高压应用而设计，包括双线 800 V 或 ±400 V 中间总线转换器和 GPU、1.500 V中间总线转换器系统、高压机架和服务器电源、电池备用系统、削峰以及 400 V 至 800 V 单侧或双侧热插拔应用。

该器件与英飞凌的功率半导体产品组合兼容，包括 OptiMOS MOSFET 和 CoolSiC JFET，使设计人员能够使用英飞凌已应用于其 800 VDC AI 数据中心参考设计中的相同底层技术，构建高效、坚固的保护级。

在高系统电压下运行会增加浪涌电流控制和基础设施瞬态事件保护的复杂性。XDP8HD40S-1 集成了SOA控制以及可编程和预配置的主动保护功能。该器件采用可变脉冲 SOA 控制模式（升压模式），可在确保功率开关安全运行的同时，优化启动性能。集成的栅极驱动器支持基于 MOSFET 和 JFET 组合的外部 SiC 级联实现，从而能够高效控制高压功率级。为了进一步增强系统鲁棒性，该控制器集成了浪涌抗扰度保护，并支持通过可配置的 1.5 A 下拉电流快速关断功率开关，从而有助于在异常运行条件下保护 AI 计算基础设施。

XDP8HD40S-1 支持宽广的工作电压范围，VDDB 为 4.5 V 至 24 V，VDDA 为 4.5 V 至 13.2 V，可集成到各种服务器和机架级电源系统中。该控制器配备 PMBus 1.5 接口，并具有增强的安全功能，便于集成到数据中心管理基础设施中，从而实现系统管理和远程诊断。内置的黑盒记录功能可捕获关键事件信息，有助于加快故障分析和系统调试。其他保护功能包括可编程的输入和输出过压和欠压保护、外部温度传感器支持以及过温保护。

现代人工智能服务器平台越来越需要实时了解功耗和系统健康状况。XDP8HD40S-1 通过 12 位电流和电压模数转换器满足这一需求，可提供约 1% 的电压测量精度、1% 的电流测量精度和 3% 的功率测量精度，模拟功率监控报告精度为 1.5%，并集成能量计量功能，可实现持续的系统监控。

在保护方面，该器件支持输入输出过压、欠压保护，过温保护，外部温度检测，以及高低侧器件之间的故障同步。

ADI谈热插拔技术

ADI也是较早公开800V服务器热插拔技术布局的模拟芯片厂商之一。

2025年8月，ADI宣布开发面向下一代AI数据中心的高压热插拔及前级电源解决方案，重点包括浪涌电流控制、故障检测和电源遥测。

2026年5月，ADI进一步宣布参与NVIDIA MGX生态系统，为下一代AI基础设施提供高压热插拔和DC/DC电源技术。

从既有产品演进来看，ADI在服务器热插拔领域已经积累了较长时间的设计经验。

ADI在《Protection and Telemetry in AI with 800 V Hot Swap》技术文章中，特别强调了热插拔保护与电源遥测之间的关系。

热插拔电路位于服务器板卡的供电入口，本身就需要测量输入电压、电流及故障状态。如果进一步提供功率监测和数字通信能力，系统管理软件还可以获得板卡入口的供电信息。

这些数据可以用于观察服务器负载变化、识别异常功率事件，并辅助电源容量规划和故障诊断。

对于AI而言，GPU工作负载可能快速变化，功率管理系统需要区分正常负载瞬态与真正的过流、短路等故障。

热插拔控制器还需要和系统管理软件搭配，以实现更聪明更准确更智能的系统管理功能。

SiC MOSFET还是JFET？

在800V热插拔应用中，功率器件的选择与普通DC/DC转换器有所不同。对于后者，工程师通常更关注导通电阻、开关速度和开关损耗；而热插拔电路需要让功率器件在启动期间工作于线性区，器件的安全工作区（SOA）便成为重要的选型依据。

SiC MOSFET虽然具有高耐压、低导通损耗和高速开关等优势，但并不是所有SiC MOSFET都适合长时间承受较高的漏源电压与电流。尤其在容性负载充电过程中，功率器件可能需要持续承受较大的瞬时功耗。

SiC JFET因此开始受到关注。部分SiC JFET在高压线性区具有较好的SOA表现，可以在特定电压和脉冲时间条件下承受更大的电流。不过，这种优势需要通过具体器件的SOA曲线验证，不能仅凭器件类型判断。

JFET的应用还涉及驱动问题。常开型SiC JFET在没有施加适当关断偏置时可能处于导通状态，这对于需要在异常情况下可靠切断电源的热插拔电路并不理想。

英飞凌已经推出采用CoolSiC JFET和XDP701-1控制器的REF_XDP701_4800参考设计。该方案面向800V直流热插拔应用，支持最高12kW输出功率，并通过数字SOA控制管理启动和故障期间的功率器件应力。在今年英飞凌公布的NVIDIA MGX相关合作中，明确提出了使用SiC JFET和专用控制IC，为原生800V服务器板卡提供热插拔及保护功能。

英飞凌参考设计

安森美也针对800V热插拔提出了Combo JFET方案，通过JFET与低压MOSFET的配合，实现高压容性负载启动和故障保护。

另外，意法半导体也曾介绍过它们的1200V SiC与BCD隔离控制器。

TI在最新白皮书中也将1200V SiC MOSFET与SiC级联JFET列为800V热插拔的主要功率器件选择，并指出不同器件对栅极驱动电压的要求有所区别。其中SiC MOSFET需要约18V栅极驱动才能充分增强，而SiC级联JFET方案采用约12V驱动。不同器件的栅极驱动条件、线性区特性和故障行为有所差异，控制器必须与具体功率器件匹配。

800V热插拔，还必须考虑断电后的安全问题

高压热插拔保护还有一个容易被忽略的环节：断电后的电容放电。

对于传统低压服务器，电源断开后，输入电容的残余电压通常较低。而800V系统中的大容量电容，即使已经与母线断开，也可能在一段时间内维持较高电压。

例如，一个充电至800V的1mF电容储存320J能量。如果没有合适的放电通路，残余电压可能对维护人员及后续电路操作构成危险。

TI表示，IT托盘从机架断开后，需要在2秒内将输出大容量电容的电压降低至120V以下。

为此，LMI800PS提供了放电FET控制信号，可通过外部FET和串联电阻形成受控放电通路。

放电电路的设计同样需要计算功率与能量。电阻需要能够承受初始放电功率和整个放电过程的能量，开关器件则需要满足相应耐压与工作条件。

此外，高压控制域与低压管理域之间还必须满足绝缘要求。TI的LMI800PS具有8mm爬电距离、5kVrms隔离耐压和10kV浪涌能力。

热插拔之外，800V配电还需要固态断路器

随着800V直流配电逐渐进入AI数据中心，半导体厂商也开始布局固态断路器（SSCB）。

2026年9月，英飞凌宣布扩大与SolarEdge的合作，涉及面向800VDC AI数据中心的固态保护技术。

热插拔控制器与固态断路器都可以利用功率半导体控制电流。