服務(wù)器電源設(shè)計(jì)的五個(gè)主要趨勢(shì)

由于服務(wù)器對(duì)于處理數(shù)據(jù)通信至關(guān)重要，因此服務(wù)器行業(yè)與互聯(lián)網(wǎng)同步呈指數(shù)級(jí)增長(zhǎng)。盡管服務(wù)器單元最初是基于PC架構(gòu)的，但服務(wù)器系統(tǒng)必須能夠處理日益增長(zhǎng)的網(wǎng)絡(luò)主機(jī)數(shù)量和復(fù)雜性。

顯示了數(shù)據(jù)中心中典型的機(jī)架服務(wù)器系統(tǒng)以及服務(wù)器系統(tǒng)的框圖。電源裝置 (PSU) 是服務(wù)器系統(tǒng)的核心，需要復(fù)雜的系統(tǒng)架構(gòu)。本文將研究五種服務(wù)器 PSU 設(shè)計(jì)趨勢(shì)：功率預(yù)算、冗余、效率、工作溫度以及通信和控制。

1. 功率預(yù)算

在21世紀(jì)初，機(jī)架或刀片服務(wù)器 PSU 的功率預(yù)算在 200 W 至 300 W 范圍內(nèi)。當(dāng)時(shí)，每個(gè)中央處理單元 (CPU) 的功耗在 30 W 至 50 W 范圍內(nèi)。

如今，服務(wù)器 CPU 的功耗約為 200 W，熱設(shè)計(jì)功耗接近 300 W，這使得服務(wù)器 PSU 的功率預(yù)算大大增加至 800 W 至 2,000 W。為了支持越來越多的服務(wù)器計(jì)算需求，例如互聯(lián)網(wǎng)上的云計(jì)算和人工智能 (AI) 計(jì)算，服務(wù)器可以包含圖形處理單元 (GPU) 與 CPU 一起工作。這一納入可能會(huì)在五年內(nèi)將服務(wù)器的功率需求增加到 3,000 W 以上。然而，由于大多數(shù)機(jī)架或刀片服務(wù)器 PSU 仍然使用額定電流高達(dá) 16A 的交流入口，因此它們的功率預(yù)算有限：考慮到轉(zhuǎn)換器效率， 240V交流輸入時(shí)功率預(yù)算約為 3,600W。因此，短期內(nèi) 3,600 W 仍將是服務(wù)器機(jī)架 PSU 的功率限制。

對(duì)于數(shù)據(jù)中心電源架，服務(wù)器 PSU 設(shè)計(jì)人員廣泛應(yīng)用國(guó)際電工委員會(huì) (IEC) 60320 C20 額定電流為 20A 的交流電源插座。 PSU 功率預(yù)算受到其交流入口額定電流的限制，在當(dāng)今的數(shù)據(jù)中心 PSU 中允許大約 3,000 W;但在不久的將來，數(shù)據(jù)中心 PSU 的功率水平可能會(huì)增加到 5,000 W 以上。為了允許每個(gè) PSU 具有更高的功率預(yù)算并實(shí)現(xiàn)更高的功率密度，您還可以在交流入口處使用母線來增加輸入電流額定值。

1. 冗余

服務(wù)器系統(tǒng)中可靠性和可用性的重要性需要冗余 PSU。如果一個(gè)或多個(gè) PSU 發(fā)生故障，系統(tǒng)中的其他 PSU 可以接管供電。

一個(gè)簡(jiǎn)單的服務(wù)器系統(tǒng)可以具有1+1冗余，這意味著系統(tǒng)中有一個(gè)活動(dòng)電源單元和一個(gè)冗余電源單元。復(fù)雜的服務(wù)器系統(tǒng)可能具有 N+1 或 N+N (N>2) 冗余，具體取決于系統(tǒng)可靠性和成本考慮。為了在需要更換PSU時(shí)保持系統(tǒng)正常運(yùn)行，系統(tǒng)需要熱插拔(ORing控制)技術(shù)。由于 N+1 或 N+N 系統(tǒng)中多個(gè) PSU 同時(shí)供電，因此服務(wù)器 PSU 還需要均流技術(shù)。

即使 PSU 處于待機(jī)模式(不從其主電源軌向輸出供電)，仍然需要在熱插拔事件后立即提供全功率，因此需要不斷激活功率級(jí)。為了降低冗余電源在待機(jī)模式下的功耗，“冷冗余”功能正在成為一種趨勢(shì)。冷冗余的目的是關(guān)閉主電源運(yùn)行或以突發(fā)模式運(yùn)行，使冗余PSU能夠最大限度地減少待機(jī)功耗。

1. 效率

2000 年代初期的效率規(guī)格略高于 65%;當(dāng)時(shí)，服務(wù)器 PSU 設(shè)計(jì)者并沒有優(yōu)先考慮效率。傳統(tǒng)轉(zhuǎn)換器拓?fù)淇梢暂p松滿足 65% 的效率目標(biāo)。但由于服務(wù)器需要持續(xù)運(yùn)行，更高的效率可以大大降低總體擁有成本。

自2004年以來，80 Plus標(biāo)準(zhǔn)為PC和服務(wù)器PSU系統(tǒng)提供了可實(shí)現(xiàn)80%以上效率的認(rèn)證。目前量產(chǎn)的服務(wù)器電源大多達(dá)到80 Plus Gold(>92%效率)要求，有些甚至可以達(dá)到80 Plus Platinum(>94%效率)。

目前正在開發(fā)的服務(wù)器 PSU 主要針對(duì)更高的 80 Plus Titanium 規(guī)格，該規(guī)格要求半負(fù)載時(shí)峰值效率超過 96%。此外，根據(jù)數(shù)據(jù)中心 PSU 遵循的開放計(jì)算項(xiàng)目 (OCP) 開放式機(jī)架規(guī)范，PSU 需要實(shí)現(xiàn)超過 97.5% 的峰值效率。因此，無橋功率因數(shù)校正 (PFC) 和軟開關(guān)轉(zhuǎn)換器等新拓?fù)?，以及碳化?(SiC) 和氮化鎵 (GaN) 等寬帶隙技術(shù)可以幫助 PSU 實(shí)現(xiàn) 80 Plus Titanium 和開放計(jì)算效率目標(biāo)。

1. 工作溫度

在服務(wù)器 PSU 熱管理方面，設(shè)計(jì)人員將 PSU AC 入口(風(fēng)扇所在位置)的環(huán)境溫度定義為服務(wù)器 PSU 工作溫度。 2000 年代初，工作溫度最高為 45°C，如今達(dá)到最高 55°C，具體取決于服務(wù)器機(jī)房的冷卻系統(tǒng)。

較高的工作溫度可降低服務(wù)器冷卻系統(tǒng)的能源成本。與數(shù)據(jù)中心的資本支出(例如硬件設(shè)備)相比，隨著時(shí)間的推移，作為運(yùn)營(yíng)支出的能源成本預(yù)計(jì)將高于資本支出。根據(jù)電力使用效率(PUE)標(biāo)準(zhǔn)：

PUE = 數(shù)據(jù)中心總功率/實(shí)際 IT 功率

PUE值越低意味著數(shù)據(jù)中心效率越高。不同工作溫度下PUE值的估算。例如，PUE 為 1.25 的數(shù)據(jù)中心只能允許其冷卻系統(tǒng)消耗總功耗的 10%。這意味著服務(wù)器 PSU 需要更高的工作溫度。

1. 通訊與控制

多年來，通信和控制在服務(wù)器電源中發(fā)揮著重要作用。 2000年代初，PSU的內(nèi)部信息通過系統(tǒng)管理總線接口傳輸?shù)较到y(tǒng)側(cè)。 2007年，電源管理總線(PMBus)接口增加了功能，包括配置、控制、監(jiān)控和故障管理、輸入/輸出電流和功率、板溫度、風(fēng)扇速度控制、實(shí)時(shí)更新代碼、過壓(電流、溫度)和保護(hù)。隨后，為了滿足數(shù)據(jù)中心電源架日益增長(zhǎng)的需求，控制器局域網(wǎng)總線 (CANBus) 成為服務(wù)器電源通信的一部分。

電源管理控制器也隨著通信總線的發(fā)展而發(fā)展。在 2000 年代初期，模擬控制器主要控制服務(wù)器 PSU。隨著越來越多的控制需求增加了通信需求，使用數(shù)字控制器實(shí)現(xiàn)這些需求變得更加容易。使用數(shù)字控制還可以減少硬件工程師的調(diào)試工作量，從而有可能降低 PSU 設(shè)計(jì)和驗(yàn)證階段的勞動(dòng)力成本。

服務(wù)器電源未來發(fā)展趨勢(shì)

隨著服務(wù)器功率預(yù)算的增長(zhǎng)而容量保持不變，功率密度要求將變得更加嚴(yán)格。新開發(fā)的服務(wù)器 PSU 的功率密度已從 2000 年代初的個(gè)位數(shù)增加到近 100 W/in 3 。通過拓?fù)浜徒M件技術(shù)的發(fā)展來提高轉(zhuǎn)換器效率是實(shí)現(xiàn)高功率密度的解決方案。

與電流、功率和效率趨勢(shì)一樣，理想的二極管/ORing 控制器需要在小型封裝中提供高電流。理想的二極管/ORing 控制器還必須集成監(jiān)控、故障處理和瞬態(tài)處理等功能，以減少實(shí)現(xiàn)這些功能所需的總體組件數(shù)量和 PCB 面積。

例如，服務(wù)器 PSU 中的 PFC 電路已從無源 PFC 發(fā)展到有源橋 PFC，再到有源無橋 PFC。隔離式 DC/DC 轉(zhuǎn)換器已從硬開關(guān)反激式和正激式轉(zhuǎn)換器發(fā)展到軟開關(guān)電感-電感-電容諧振和相移全橋轉(zhuǎn)換器。非隔離式 DC/DC 轉(zhuǎn)換器已從線性穩(wěn)壓器和磁放大器發(fā)展到具有同步整流器的降壓轉(zhuǎn)換器。隨后整體效率的提高減少了內(nèi)部功耗和解決熱問題所需的工作。

適用于服務(wù)器 PSU 的組件技術(shù)也不斷發(fā)展，從 IGBT 和硅 MOSFET 發(fā)展到碳化硅 MOSFET 和氮化鎵 FET 等寬帶隙器件。 IGBT 和硅 MOSFET 的非理想開關(guān)特性將開關(guān)頻率限制在 200 kHz 以下。雖然寬帶隙器件的開關(guān)特性更接近理想開關(guān)，但使用寬帶隙器件可以實(shí)現(xiàn)更高的開關(guān)頻率，從而有助于減少 PSU 中使用的磁性組件的數(shù)量。

隨著工作溫度的升高，服務(wù)器 PSU 中的組件需要承受更高的熱應(yīng)力，這也推動(dòng)了電路的發(fā)展。例如，傳統(tǒng)的實(shí)現(xiàn)方式是將機(jī)械繼電器與電阻器并聯(lián)，以抑制啟動(dòng)期間的輸入浪涌電流。但由于其體積龐大、可靠性問題和較低的額定溫度，固態(tài)繼電器現(xiàn)在正在取代服務(wù)器 PSU 中的機(jī)械繼電器。

3.6kW 單相圖騰柱無橋 PFC 設(shè)計(jì)具有 >180W/in 3功率密度，3kW 相移全橋采用有源鉗位設(shè)計(jì)，具有 >270W/in 3功率密度，旨在滿足常見的服務(wù)器中的冗余電源規(guī)格。

在 3.6 kW PFC 設(shè)計(jì)中，固態(tài)繼電器可適應(yīng)高工作溫度。此處，LMG3522R030 GaN FET 支持使用無橋圖騰柱 PFC 拓?fù)洹?“嬰兒升壓”減少了大容量電容器的體積，以獲得更高的功率密度。

在 3kW 相移全橋設(shè)計(jì)中，LMG3522R030 GaN FET 有助于降低循環(huán)電流，并可實(shí)現(xiàn)軟開關(guān)。有源鉗位電路充當(dāng)無損緩沖器，可實(shí)現(xiàn)更高的轉(zhuǎn)換器效率和更低的同步整流器電壓應(yīng)力。上述所有控制要求均通過C2000單片機(jī)作為數(shù)字控制處理器來實(shí)現(xiàn)。