基于混合压电谐振器的直流-直流转换器

更高效地为云端供能

每一次互联网搜索、视频流或人工智能请求，都从布满服务器的数据中心汲取能量。随着需求激增，其中越来越大一部分能量在将电网的高电压降至芯片实际使用的低电压的电子设备内以废热形式损失。本文探讨了一种新型电源转换器，用细薄振动晶体取代笨重的磁性元件，旨在在更小的空间内提供更多可用功率并减少损耗——这一进展可能使未来数据中心更高效、更紧凑。

为什么现有电源块遇到瓶颈

现代数据中心越来越多地以约48伏分配电力，以减少长电缆中的能量损失，但服务器内部的芯片通常需要5伏或更低。将48伏一次性降到几伏十分困难：传统转换器依赖磁性元件（如电感和变压器），其尺寸和性能在高功率与高频下无法很好地缩放。随着工程师追求更小、更密集的系统，这些磁性元件成为瓶颈——它们占用体积、限制电流处理能力，并提高损耗，尤其是在电压变化幅度很大时。

从磁回路到振动晶体

作者将注意力集中在压电谐振器上——由特殊材料制成的薄盘，通过物理振动来存储和传递能量，而非建立磁场。这类元件可以制成非常扁平、批量制造，并有望直接集成到芯片上。以往研究表明，这些谐振器在某些转换器中可以替代磁性元件，但存在两大障碍。首先，在尝试大幅降压时效率急剧下降，因为过多电荷在谐振器内部来回摇摆而未送达负载。其次，谐振器本身必须承载几乎全部电流，限制了在器件达到机械极限前转换器能够安全传输的功率。

新策略：辅助电容与多路径

为了解决这些限制，研究团队提出了两项关键思想并将其融合到单一电路中。第一是“嵌入式飞行电容”方案：精心尺寸化的辅助电容并排放置在谐振器旁，在切换周期中调整谐振器所见的电压水平。这改变了工作点，使谐振器阶段不再仅在温和的2:1降压时表现最好，而是自然偏好3:1的比率。在这一最佳点，几乎所有移动电荷都被输送到输出，而不是仅在内部循环，从而减少了浪费能量并降低谐振器的工作强度。

分担负载，避免单兵作战

第二个想法是“永远多路径”结构，通过额外电容将输出功率分配到若干并行通路。电路不是强制每一丝电流都通过振动晶体，而是安排其电容，使在能量传输阶段始终存在多个到负载的活动路径。这将谐振器的峰值电流相比早期设计降低了80%以上，减轻了器件应力，平滑了输出电压，并减少了开关和布线的导通损耗。嵌入式电容与多路径布局的组合使谐振器在其强项运行——处理高电压但中等电流——同时让电容承担更多繁重工作。

从概念到可用芯片

研究人员将其设计制成标准工艺的集成电路，并与市售压电盘配对。在测试中，该转换器将48伏降至4.8伏——整体10:1的降压——并达到96.2%的峰值效率。得益于3:1的谐振器级与3:1的电容级组合，最佳整体转换比为9:1，而且电路在更高比率下仍能高效运行。多路径架构允许最高1安培的输出电流，并提供了比使用同类谐振材料的先前压电转换器高数倍的电流密度。

对未来数据中心的意义

简言之，这项工作表明，薄型振动晶体与巧妙排列的电容配合时，能够与传统磁性元件在将高电压降至芯片适用电平方面抗衡甚至超越。通过在紧凑形式中同时提升效率和电流处理能力，所提出的混合压电转换器使电源系统更接近于在拥挤服务器机架中浪费更少能量、占用更小空间的目标。尽管仍需在谐振器材料和闭环控制方面取得进一步进展，本研究为面向未来对云与AI基础设施日益增长能源需求的更纤薄、更凉爽、更高效的供电方案提供了一条切实可行的路径。

引用: Ko, JY., Liu, WC.B. & Mercier, P.P. A hybrid piezoelectric resonator-based DC-DC converter. Nat Commun 17, 4054 (2026). https://doi.org/10.1038/s41467-026-70494-0

关键词: 数据中心电源转换, 压电谐振器, 高压降压, 直流-直流转换器效率, 电力电子学