數(shù)字電源：降低數(shù)據(jù)中心的功率損耗分析

能效已經(jīng)成為決定電子元件、子系統(tǒng)和系統(tǒng)設(shè)計(jì)能否取得成功的主要因素之一。過去幾年，計(jì)算和通信設(shè)備制造商一直在內(nèi)部推動(dòng)技術(shù)規(guī)格的發(fā)展和在外部向用戶宣傳這些技術(shù)規(guī)格，例如計(jì)算能力/瓦。而就在幾年前，這些公司強(qiáng)調(diào)的則是計(jì)算能力/歐元。

迅速向提高效率發(fā)展的基本原因如下：

(1)制定了歐盟行為準(zhǔn)則、能源之星等全球節(jié)能技術(shù)規(guī)范，并且得到了市場(chǎng)認(rèn)可;

(2)大型設(shè)施的電費(fèi)極高，已經(jīng)成為一種顯性擁有成本;

(3)對(duì)現(xiàn)有設(shè)施可用功率的限制;

(4)隨著設(shè)施規(guī)模的增加，成本也越來越高。

隨著互聯(lián)網(wǎng)帶寬、互聯(lián)網(wǎng)用戶和互聯(lián)網(wǎng)器件的迅速增加，受影響最大的業(yè)務(wù)之一就是數(shù)據(jù)中心。在試圖增加服務(wù)器來處理大量工作的同時(shí)，數(shù)據(jù)中心還采取了各種方法來提高效率。

數(shù)據(jù)中心評(píng)級(jí)通?；谒鼈兊挠秒娦?，亦即電源使用效率(PUE)。雖然很多新建的數(shù)據(jù)中心能夠?qū)崿F(xiàn)1.2的PUE，但是其它很多現(xiàn)有數(shù)據(jù)中心的PUE在3~7之間，意味著每提供1W的功率用于計(jì)算，就需要消耗高達(dá)6W的功率用于冷卻、照明和輸電[3]。

看一看PUE之類的評(píng)級(jí)以及給服務(wù)器CPU和存儲(chǔ)器子系統(tǒng)供電的方法，很明顯，盡可能節(jié)約服務(wù)器CPU的電能就可以節(jié)約整個(gè)數(shù)據(jù)中心的電能。

圖1，典型服務(wù)器輸電模型。

服務(wù)器輸電流程的簡單模型如圖1所示。假設(shè)行業(yè)平均PUE為3.0，很顯然，服務(wù)器本身每節(jié)約1W功率，數(shù)據(jù)中心就可以再節(jié)約2W功率。節(jié)約服務(wù)器本身消耗的功率有很多方法，但是最重要的方法如下：

(1)降低服務(wù)器所用CPU和DDR存儲(chǔ)器的功率;

(2)提高為CPU和DDR存儲(chǔ)器供電的穩(wěn)壓器(VR)解決方案的效率;

(3)減少提供給電路板其它部分的電能，包括提供大多數(shù)系統(tǒng)電壓軌的負(fù)載點(diǎn)轉(zhuǎn)換器。

服務(wù)器使用的現(xiàn)代CPU在功率優(yōu)化方法方面取得了極大的進(jìn)步，但是它仍然是服務(wù)器主板上功率最大的單負(fù)載，存儲(chǔ)器緊隨其后。數(shù)據(jù)中心仍利用高端CPU來支持市場(chǎng)所需的數(shù)據(jù)流量和計(jì)算能力。因此，該行業(yè)著重提高VR解決方案的效率，以便降低服務(wù)器和整個(gè)數(shù)據(jù)中心的功率。

為了定量地了解VR效率提高的效果，建立了一個(gè)典型的雙處理器服務(wù)器模型，每個(gè)處理器占用DDR存儲(chǔ)器的2條通道。典型滿載服務(wù)器機(jī)架將用到高達(dá)9.5kW的電源，只是為CPU和DDR存儲(chǔ)器(130W CPU × 2 = 260W + 60W DDR存儲(chǔ)器組× 4 = 240W × 19個(gè)滿載機(jī)架內(nèi)的2U服務(wù)器)供電。在很多現(xiàn)有系統(tǒng)中，VR解決方案(將服務(wù)器的12V電壓轉(zhuǎn)換為CPU電壓或DDR電壓)的效率估計(jì)為85% [2]。在這種情況和3.0的PUE下，由于VR效率低下而導(dǎo)致每個(gè)機(jī)架浪費(fèi)5.0kW的功率。

該模型中VR解決方案效率的提高與節(jié)約的電能的關(guān)系如圖2所示。由此可以看出，在該模型中，VR效率每提高1%，就可以節(jié)約近400W的電能。

圖3，在高效率下，多相VR解決方案能夠提供大電流。

在低電壓下為服務(wù)器CPU或DDR存儲(chǔ)器組提供如此高的電流水平需要多相解決方案，如圖3所示。很多代服務(wù)器都采用了多相解決方案，但是數(shù)字控制和電源管理器件采用的新解決方案能夠提供當(dāng)今新型服務(wù)器所需的高效率。與85%的平均效率相比，新解決方案可以實(shí)現(xiàn)93%或更高的最高效率和高于90%的滿載效率[4]。從圖2可以看出，單單通過實(shí)現(xiàn)該解決方案，每個(gè)機(jī)架就能夠節(jié)約1kW以上的電能。

圖4，IR利用IR3550 PowIRstage和CHiL數(shù)字控制實(shí)現(xiàn)的多相解決方案的多相效率。

如圖4所示，IR解決方案利用動(dòng)態(tài)相位控制和可變柵極驅(qū)動(dòng)的數(shù)字電源技術(shù)組合以及高效率PowIRstage解決方案IR3550，極大地提高了效率。

動(dòng)態(tài)相位控制是數(shù)字電源控制IC的一種功能，能夠精確測(cè)量負(fù)載電流，并利用用戶定義的閾值打開或關(guān)閉1個(gè)或多個(gè)相位以實(shí)現(xiàn)效率最大化。有4個(gè)相位，在電流較低的情況下，如果只需要1個(gè)相位，就會(huì)浪費(fèi)剩余3個(gè)相位的開關(guān)損耗。關(guān)閉相位就可以提高效率。同樣，隨著電流的增加，打開其他相位。這種技術(shù)通常被稱為切相，但是動(dòng)態(tài)相位控制實(shí)際上要復(fù)雜得多。通過測(cè)量平均負(fù)載電流和切相，IR在切相過程中實(shí)現(xiàn)了更高的效率。然而，服務(wù)器內(nèi)的CPU可以非?？焖俚靥岣唠娏?，通常超過100A。如果控制器采用了相同的平均技術(shù)來增加相位，那么系統(tǒng)極有可能出現(xiàn)故障，因?yàn)?個(gè)相位可能負(fù)載100A以上的電流。并且，為了保證控制環(huán)路的穩(wěn)定性，無論有多少相位，都會(huì)自動(dòng)穩(wěn)定內(nèi)部數(shù)字控制環(huán)路，而這正是以前的模擬技術(shù)所無法實(shí)現(xiàn)的。

圖5 ，柵極驅(qū)動(dòng)的數(shù)值(VGD)改變時(shí)，RDSon就會(huì)變化，但是開關(guān)損耗降低。

可變柵極驅(qū)動(dòng)的效果如圖5所示。如果任意給定相位內(nèi)的電流很低，則可以降低柵極驅(qū)動(dòng)電壓以便降低該相位的柵極驅(qū)動(dòng)損耗。代價(jià)是RDS(on)值稍微增加，因此該相位的導(dǎo)通損耗提高。然而，如果為所選MOSFET選擇了合適的數(shù)值，則可以降低總功率損耗。如果相電流很高，就會(huì)提高柵極驅(qū)動(dòng)電壓，以便降低RDS(on)和導(dǎo)通損耗。IR的CHIL?數(shù)字控制技術(shù)讓我們能夠針對(duì)MOSFET、相位數(shù)量和每個(gè)相位的電流水平來優(yōu)化這些參數(shù)，從而利用服務(wù)器VR解決方案實(shí)現(xiàn)最大效率增益。