数据中心交换机高速率发展，需要哪些电感与电容元件？

电子发烧友网报道（文/李宁远）在算力向更高水平发展的推动下，数据迎来了爆炸性增长。数据中心需要处理越来越多的数据，并且这些数据还在逐年增加，对计算能力的需求也同样如此。

 

不断提高的算力需求推动了大功率数据机架和更高效的数据中心建设，云计算数据中心网络拓扑结构也在持续升级演进，市场对数据中心光互联技术提出了更高速率、更低功耗、更低成本等需求。

 

数据中心交换机市场发展

 

数据中心交换机市场是一个稳步增长的市场，根据相关数据，国内交换机市场规模已经从2019年的380亿元扩张到2023年的685亿元，较2022年增长了16%，预计2024年可以达到749亿元。

 

其中，以太网交换机占比约50%，以太网交换机是基于以太网进行数据传输的多端口网络设备，随着以太网的发展，交换机也在不断演进，为了更快速的局域网连接，千兆以太网甚至万兆以太网技术已经被应用起来。

 

这背后的主要推动因素有三，其一是数字化转型需求，其二是云计算和大数据的普及，其三是现在进展频频的AI/Chat GPT等新技术。在这些因素的多重作用下，通信带宽越来越高，交换机作为数据传输的核心设备，其市场空间发展前景还是很广阔的。

 

从交换机成本结构来看，交换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当，都占比10%，然后是壳体成本占比8%，PCB占比7%。

 

交换机中的被动元件

 

目前交换机应用，25G、100G应用得还是最广的，不过400G、800G也在加速中，一些行业头部厂商已经着手1.6T的布局。传输速度的演进其实对电源水平有着相应的要求。100G有着3.5-5W的功耗水平，400G需要14-24W功耗水平，800G则需要25-30W的功耗水平，1.6T更高，这对电源的选用来说是很大的考验。

 

在交换机电源的设计中，EMI是非常重要的三个指标。EMI在电源设计中向来是很困难的一部分，电路板布局、杂讯屏蔽，架构设计等都会影响EMI等级，功率电感、磁珠、共模扼流线圈的应用相当关键。

 

其实不只是电源部分，整个交换机很多部分都有EMI需求，ACDC、DCDC部分、各种接口部分。未来需求比较旺盛的是光电转换LC滤波电路这部分。

 

众所周知光电转换是交换机的核心环节，尤其是现在吞吐量需求越来越大，光模块封装也在不断改变。目前常见的SFP、OSFP、QSFP这些不同的封装也规定了不同的EMI电感器用量和感值，如SFP对应的是4.7uH、OSFP对应的是0.47uH。未来LC滤波电路上电流还会增加，还要继续增加通流能力，也要尽可能降低磁芯损耗，保证更低的漏磁和更平滑的饱和特性。

 

目前基于金属合金粉的电感展现出了比铁氧体电感更好的通流能力，在大电流下感值不会出现巨大变化，整体也更稳定。

 

总的来说电源链路的性能很大程度上受到电感的制约，提高转换效率和降低电感的损耗直接相关，而且在电源电路小型化发展的现在，缩减尺寸也需要电感在积层技术、薄膜技术上做创新。

 

磁珠作为广泛使用的静噪产品，应用也是很广泛的，主打一个高性价比，在滤除高频噪声上效果很好，在交换机应用上磁珠也需要具备较大的额定电流。现在的产品方向也是往大电流做，用小电流磁珠做并联也占用板上空间，大电流的磁珠在交换机上更受欢迎。

 

交换机数据传输接口、差分线路接口都在往更高的速度迭代，传输速率的提高带来了更多的高频共模噪声干扰。共模电感自然也是常用且性价比很高的EMI解决办法。为了应对传输速率上去之后，交换机线路上高频噪声的频点就会越来越高，共模电感的抑制频点也会要求越来越高，共模电感也呈现出高频化的发展趋势。

 

在高频场景下，电感的转换效率是十分重要的，这样才能更好地处理电流的突变和快速变化，以保持电源的稳定性和可靠性。

 

电容在交换机中也有着很多应用，比如在交换机电源Hold Up性能设计中就需要在电源内部使用高压大容值的电容，来提高断电后满负载的主电压输出能力，这是很关键的一项性能指标。

 

从整个交换机应用上来看，随着交换设备速率的不断提高，对元器件提出的要求主要集中在如何有限的空间中布局更多、更强大的元器件。不同电压回路都需要更小尺寸、更大容值的电容方案，同时在使用温度方面，电容也需要能够达到105°甚至更高，满足不同温度场景的使用需求。

 

CPU作为数字中心交换机的核心，其供电回路需要大量的高容值电容来进行电源输出优化以实现长期稳定地运行。高容值陶瓷电容在这里很受欢迎，同时解决容值和空间的需求。相比于常用的电解电容，陶瓷电容拥有更高的容值密度，同时，陶瓷电容拥有更低的ESL和ESR，在为CPU提供稳定的电源上更有优势。

 

这条线路对阻抗也有比较高的要求，追求大容值的同时解决阻抗问题？三端子陶瓷电容就可以解决，三端子在高频领域的低阻抗尤为突出，具有很明显的降噪特性，在数据中心、车载等高频应用里都能发挥出很好的性能，在实际使用回路中能够更好地替代两端子电容，让回路阻抗得到进一步的改善。

 

小结

 

数据中心交换机的快速发展，和应用在其中的必不可少的被动元件有着千丝万缕的联系。交换机向更高速率迭代的同时，也大大推进了电感和电容产品的发展。