【導讀】由于服務(wù)器對于處理數據通信至關(guān)重要，因此服務(wù)器行業(yè)與互聯(lián)網(wǎng)同步呈指數發(fā)展。盡管服務(wù)器單元最初是基于 PC 架構，但服務(wù)器系統必須能夠應對日益增加的網(wǎng)絡(luò )主機數量和復雜性。
本期，我們將聚焦于服務(wù)器電源設計中的五大趨勢：功率預算、冗余、效率、工作溫度以及通信和控制并分析預測服務(wù)器 PSU 的未來(lái)發(fā)展趨勢
由于服務(wù)器對于處理數據通信至關(guān)重要，因此服務(wù)器行業(yè)與互聯(lián)網(wǎng)同步呈指數發(fā)展。盡管服務(wù)器單元最初是基于 PC 架構，但服務(wù)器系統必須能夠應對日益增加的網(wǎng)絡(luò )主機數量和復雜性。
圖 1 展示了數據中心中的典型機架式服務(wù)器系統及服務(wù)器系統方框圖。電源單元 (PSU) 是服務(wù)器系統的核心，而且需要復雜的系統架構。本文將探討五種服務(wù)器 PSU 設計趨勢：功率預算、冗余、效率、工作溫度以及通信和控制。
圖 1. 服務(wù)器系統方框圖以及服務(wù)器在數據中心中的位置
趨勢一：功率預算
在 21 世紀初，機架或刀片式服務(wù)器 PSU 的功率預算在 200W 至 300W 之間。當時(shí)，每個(gè)中央處理單元 (CPU) 的功耗在 30W 至 50W 之間。圖 2 展示了 CPU 功耗趨勢。
圖 2. 21 世紀初的 CPU 功耗趨勢
如今，服務(wù)器 CPU 的功耗約為 200W，隨著(zhù)熱設計功率接近 300W，服務(wù)器 PSU 的功率預算大幅增加至 800W 至 2,000W。為了支持越來(lái)越多的服務(wù)器計算要求，如互聯(lián)網(wǎng)上的云計算和人工智能 (AI) 計算，服務(wù)器可以添加圖形處理單元 (GPU) 來(lái)與 CPU 一起工作。這樣，服務(wù)器的功率需求將在五年內增加到 3,000W 以上。但是，由于大多數機架或刀片式服務(wù)器 PSU 仍使用額定電流高達 16A 的交流電源插座，因此功率預算有限：在 240VAC 輸入下大約為 3,600W（考慮到轉換器效率）。因此，短期內，機架式服務(wù)器 PSU 的功率限制將仍為 3,600W。
對于數據中心電源架，服務(wù)器 PSU 設計人員廣泛采用國際電工委員會(huì ) (IEC) 60320 C20 交流電源插座，其額定電流為 20A。PSU 功率預算受其交流電源插座額定電流的限制，這使得當今數據中心 PSU 的功率大約為 3,000W；但在不久的將來(lái)，數據中心 PSU 的功率等級可增加到 5,000W 以上。為了提高每個(gè) PSU 的功率預算并實(shí)現更高的功率密度，您還可以對交流電源插座使用匯流條，來(lái)提高輸入電流等級。
趨勢二：冗余
服務(wù)器系統的可靠性和可用性非常重要，因此需要冗余 PSU。如果一個(gè)或多個(gè) PSU 出現故障，系統中的其他 PSU 可以接管供電。
簡(jiǎn)單的服務(wù)器系統可以具有 1+1 冗余，這意味著(zhù)系統中有一個(gè) PSU 工作，一個(gè) PSU 冗余。復雜的服務(wù)器系統可能具有 N+1 或 N+N (N>2) 冗余，具體取決于系統可靠性和成本考量。為了在需要更換 PSU 時(shí)保持系統正常運行，系統需要熱插拔（ORing 控制）技術(shù)。由于在 N+1 或 N+N 系統中有多個(gè) PSU 同時(shí)供電，因此服務(wù)器 PSU 也需要使用電流共享技術(shù)。
即使處于待機模式（未從其主電源軌向輸出端供電）的 PSU 也需要在熱插拔事件后即時(shí)提供全功率，因此需要功率級持續激活。為了降低待機模式下冗余電源的功耗，“冷冗余”功能正成為一種趨勢。冷冗余旨在關(guān)閉主電源運行或在突發(fā)模式下運行，從而使冗余 PSU 更大限度減少待機功耗。
趨勢三：效率
21 世紀初，效率規格僅在 65% 以上；當時(shí)，服務(wù)器 PSU 設計人員沒(méi)有優(yōu)先考慮效率。傳統轉換器拓撲可以輕松滿(mǎn)足 65% 的效率目標。但是，由于服務(wù)器需要持續運行，效率更高可以大大降低總擁有成本。
自 2004 年以來(lái)，經(jīng) 80 Plus 標準認證，PC 和服務(wù)器 PSU 系統效率超過(guò) 80%。如今，大規模量產(chǎn)的服務(wù)器 PSU 大多符合 80 Plus 金牌（效率 >92%）要求，有些甚至可以達到 80 Plus 鉑金標準（效率 >94%）。
目前正在開(kāi)發(fā)的服務(wù)器 PSU 主要符合更高的 80 Plus 鈦金規格，這要求半負載時(shí)的峰值效率達 96% 以上。表 1 顯示了 80 Plus 的各種規格。
表 1. 80 Plus 規格可確保效率在 80% 以上
此外，根據數據中心 PSU 遵循的開(kāi)放計算項目 (OCP) 開(kāi)放式機架規范，PSU 需要實(shí)現 97.5% 以上的峰值效率。因此，無(wú)橋功率因數校正 (PFC) 和軟開(kāi)關(guān)轉換器等新拓撲，以及碳化硅 (SiC) 和氮化鎵 (GaN) 等寬帶隙技術(shù)，有助于 PSU 實(shí)現 80 Plus 鈦金和開(kāi)放計算效率目標。
趨勢四：工作溫度
在服務(wù)器 PSU 熱管理方面，設計人員將風(fēng)扇所在的 PSU 交流電源插座的環(huán)境溫度定義為服務(wù)器 PSU 的工作溫度。21 世紀初，工作溫度最高為 45°C，現在達到最高 55°C，具體取決于服務(wù)器機房中的冷卻系統。
較高的工作溫度可降低服務(wù)器冷卻系統的能源成本。與數據中心的資本支出（如硬件設備）相比，隨著(zhù)時(shí)間的推移，作為運營(yíng)支出的能源成本預計會(huì )高于資本支出。根據電源使用效率 (PUE) 標準：PUE = 數據中心總功率/IT 實(shí)際使用功率。
如表 2 所示，PUE 數值越低，數據中心的效率越高。圖 3 是不同工作溫度下 PUE 數值的估算。例如，PUE 為 1.25 的數據中心僅允許冷卻系統功耗為總功耗的 10%。這意味著(zhù)服務(wù)器 PSU 需要更高的工作溫度。
表 2. PUE 數值較低的數據中心具有高效率
圖 3. 對不同工作溫度下 PUE 數值的估算表明，工作溫度越高，冷卻成本越低
趨勢五：通信和控制
多年來(lái)，通信和控制在服務(wù)器電源方面發(fā)揮著(zhù)重要作用。21 世紀初，PSU 的內部信息通過(guò)系統管理總線(xiàn)接口傳輸到系統端。2007 年，電源管理總線(xiàn) (PMBus) 接口增加了多項功能，包括配置、控制、監控和故障管理、輸入/輸出電流和功率、電路板溫度、風(fēng)扇速度控制、實(shí)時(shí)更新代碼、過(guò)壓（電流、溫度）和保護。之后，為了應對數據中心電源架的增長(cháng)需求，控制器局域網(wǎng) (CAN) 總線(xiàn)成為了服務(wù)器電源通信的一部分。
電源管理控制器也隨著(zhù)通信總線(xiàn)的發(fā)展而發(fā)展。21 世紀初，服務(wù)器 PSU 主要由模擬控制器控制。隨著(zhù)控制需求越來(lái)越多，通信需求也有所增加，使用數字控制器可以更容易滿(mǎn)足這些需求。使用數字控制還可以減少硬件工程師的調試工作，從而有可能降低 PSU 設計和驗證階段的人力成本。
服務(wù)器 PSU 的未來(lái)發(fā)展趨勢
隨著(zhù)服務(wù)器功率預算增加，而體積保持不變，功率密度要求將變得更加嚴格。21 世紀初，功率密度為個(gè)位數；而新開(kāi)發(fā)的服務(wù)器 PSU 則增加到近 100W/in3。通過(guò)拓撲和元件技術(shù)演進(jìn)提高轉換器效率，是實(shí)現高功率密度的解決方案。
與電流、功率和效率趨勢的情況一樣，理想二極管/ORing 控制器需要在小型封裝中提供高電流。理想二極管/ORing 控制器還必須集成監控、故障處理和瞬態(tài)處理等功能，用于減少實(shí)現這些功能所需的元件總數和 PCB 面積。
例如，服務(wù)器 PSU 中的 PFC 電路已從無(wú)源 PFC 演變?yōu)橛性措姌?PFC，再演變?yōu)橛性礋o(wú)橋 PFC。隔離式直流/直流轉換器已從硬開(kāi)關(guān)反激式和正激式轉換器演變?yōu)檐涢_(kāi)關(guān)電感器-電感器-電容器諧振和相移全橋轉換器。非隔離式直流/直流轉換器已從線(xiàn)性穩壓器和磁放大器演變?yōu)榫哂型秸髌鞯慕祲恨D換器。隨后整體效率的提升可降低內部功耗和解決散熱問(wèn)題所需的工作量。
應用于服務(wù)器 PSU 的元件技術(shù)也在不斷發(fā)展，從 IGBT 和硅 MOSFET 發(fā)展為碳化硅 MOSFET 和氮化鎵 FET 等寬帶隙器件。IGBT 和硅 MOSFET 的非理想開(kāi)關(guān)特性將開(kāi)關(guān)頻率限制在 200kHz 以下。雖然寬帶隙器件的開(kāi)關(guān)特性更接近于理想開(kāi)關(guān)，但使用寬帶隙器件可以實(shí)現更高的開(kāi)關(guān)頻率，從而有助于減少 PSU 中使用的磁性元件數量。
隨著(zhù)工作溫度升高，服務(wù)器 PSU 中的元件需要處理更高的熱應力，這也推動(dòng)了電路的發(fā)展。例如，一種傳統實(shí)現方案是將機械繼電器與電阻器并聯(lián)，用于抑制啟動(dòng)期間的輸入浪涌電流。但由于機械繼電器體積過(guò)大、存在可靠性問(wèn)題和溫度等級較低，固態(tài)繼電器現在正取代服務(wù)器 PSU 中的機械繼電器。
功率密度 >180W/in3 的 3.6kW 單相圖騰柱無(wú)橋 PFC 設計和具有有源鉗位、功率密度 >270W/in3 的 3kW 相移全橋設計，旨在滿(mǎn)足服務(wù)器中常見(jiàn)的冗余電源規范（圖 4）。
圖 4. 3.6kW 和 3kW 參考設計方框圖
在 3.6kW PFC 設計中，固態(tài)繼電器可適應較高的工作溫度。這里，LMG3522R030 GaN FET 支持使用無(wú)橋圖騰柱 PFC 拓撲?！靶⌒蜕龎骸笨山档痛笕萘侩娙萜鞯捏w積，從而提高功率密度。
在 3kW 相移全橋設計中，LMG3522R030 GaN FET 有助于降低循環(huán)電流，并實(shí)現軟開(kāi)關(guān)。有源鉗位電路用作無(wú)損緩沖器，可在降低同步整流器電壓應力的情況下，實(shí)現更高的轉換器效率。通過(guò)將 C2000? 微控制器用作數字控制處理器，上述所有控制要求均可實(shí)現。
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