給云供電

 

身處社會(huì )，我們每天都在創(chuàng )建、使用和分享前所未有的數據，無(wú)論是在我們的個(gè)人生活中還是在我們工作的時(shí)候。此外，聯(lián)接數十億設備并不斷增長(cháng)的物聯(lián)網(wǎng)(IoT)正在創(chuàng )建數據，完全無(wú)需人類(lèi)幫助。隨著(zhù)移動(dòng)技術(shù)發(fā)展到第五代(5G)，將有能力創(chuàng )建更多的數據并以比以往任何時(shí)候都更快的速度運行，從而為數據增長(cháng)的趨勢提供更大的動(dòng)力。

 

所有這些數據都需要存儲在某處，以進(jìn)行處理和保存記錄。我們日漸轉向“云”以保護這重要信息。但是，“云”并不是個(gè)虛無(wú)的地方，它以巨大的數據中心的形式牢固地扎根，這些數據中心的規模和數量正在迅速增長(cháng)，以應對對額外存儲容量不斷增長(cháng)的需求。

 

毫不奇怪，數據中心需要大量的電力才能運行。目前，據估計，它們消耗了美國國內約3%的電力，盡管這一比例預計在未來(lái)20年內將上升到15%。每年出貨的服務(wù)器超過(guò)一千萬(wàn)臺，這一數字還在以每年約5%的速度增長(cháng)，以滿(mǎn)足包括虛擬實(shí)境(VR)/增強實(shí)境(AR)、人工智能(AI) 訓練和IoT等新興應用日益增長(cháng)的需求。

 

電源能效和可靠性可能是數據中心行業(yè)最重要的議題，因為物理空間非常寶貴，電能成本不斷上漲，而系統可靠性至關(guān)重要。隨著(zhù)能效的提高，工作溫度下降，這本身就提高了可靠性。這也使電源方案更緊湊，從而節省空間，或支持可用空間納入更多的計算能力和存儲容量。

 

盡管進(jìn)行了可靠性設計，但在數據中心的使用壽命期間，具有活動(dòng)部件的組件如磁盤(pán)驅動(dòng)器和風(fēng)扇仍會(huì )磨損并且可能會(huì )發(fā)生故障。因此，必須將電源系統設計為允許對這些器件進(jìn)行熱插拔、交換，以便維修和升級不會(huì )導致系統停機。

 

技術(shù)提供方案解決電源挑戰

 

為應對數據中心帶來(lái)的挑戰，電源方案必須更小、更緊湊、更高效和更精密。MOSFET技術(shù)有顯著(zhù)改進(jìn)，支持將控制IC和MOSFET集成在一個(gè)非常高效和緊湊的封裝中。

 

例如，安森美半導體的NCP3284 DC-DC轉換器在5 mm x 6 mm的微小面積內具有30 A連續（45A脈沖）的能力，工作頻率高達1MHz，可減少外部電感器和電容器的尺寸和重量。該集成器件還集成多種保護功能和可編程軟啟動(dòng)。

 

功率密度水平更高的是智能電源級(SPS)方案如FDMF3170。SPS集成MOSFET與先進(jìn)的驅動(dòng)器IC及電流和溫度傳感器，支持高電流、高頻、同步降壓DC-DC轉換器設計。

 

這全集成的方法使SPS在驅動(dòng)器和MOSFET的動(dòng)態(tài)性能、系統寄生降低和MOSFET導通電阻得以?xún)?yōu)化。FET對經(jīng)過(guò)優(yōu)化，可實(shí)現最高能效，尤其是在對現代能效要求如80 plus非常嚴格的低占空比應用。

 

圖1：多相控制器和DrMOS電源級提供方案

 

高精度電流監控（IMON）可用于替代電感器DCR或電阻器檢測方法，從而消除了通常與此類(lèi)方法相關(guān)的損耗。

 

在現代數據中心服務(wù)器系統中，即使是不起眼的保險絲也進(jìn)行了改造。重要的是，在RAID系統、磁盤(pán)驅動(dòng)器電源和服務(wù)器I/O卡等應用中，玻璃盒中的熔絲已被基于半導體的智能電子熔絲(eFuse)取代。eFuse使用低導通電阻MOSFET，在正常運行期間和發(fā)生熱插拔時(shí)保護外設。實(shí)際上，它們可用于可能發(fā)生電源故障或負載故障以及可能需要限制浪涌、沖擊電流的任何應用。除了為器件、連接器和PCB走線(xiàn)提供保護之外，它們還能由系統控制，并且許多都可提供有用的遙測功能如監測溫度和電流。

 

安森美半導體的NCP81295/6熱插拔控制器支持最高60A峰值電流（連續50A），基于0.8m ?6?8的內部MOSFET以實(shí)現高效運行。它們采用5mm x 5mm 32引腳QFN封裝，提供閂鎖或自動(dòng)重試版本，適合在高達+125°C的溫度下使用。

 

另一個(gè)eFuse ——NIS5021是12V、12A系列器件，常與熱插拔硬盤(pán)一起使用。它緩沖HDD，使其不處于可能損壞敏感電路的任何過(guò)輸入電壓。內置電壓鉗位限制輸出電壓以保護負載，同時(shí)保持連續供電，使驅動(dòng)器可持續正常工作。

 

復雜系統如服務(wù)器通常需要對其電源系統進(jìn)行智能控制，以確保正常運行以及盡可能高的能效水平。負載管理器件支持對電源軌進(jìn)行分段，從而實(shí)現精細控制。允許電路的未使用部分斷電，有助于啟動(dòng)時(shí)上電排序和降低運營(yíng)成本。反過(guò)來(lái)，較低的功率水平會(huì )導致系統中的熱量減少，從而提高可靠性和增加使用壽命。大多數負載開(kāi)關(guān)還支持轉換速率控制，并可在故障條件下提供保護。

 

系統設計人員使用集成的負載開(kāi)關(guān)如安森美半導體的NCP455xx系列，可獲得這些好處，且增加的系統器件數量盡可能少。高性能器件提供緊湊的方案，比分立式方案減少約60％的PCB占用空間。

 

寬禁帶技術(shù)

 

可能對服務(wù)器電源系統的尺寸、可靠性、能效和運行成本產(chǎn)生積極影響的最重大的進(jìn)展是邁向基于寬禁帶(WBG)材料如氮化鎵(GaN)和碳化硅(SiC)的半導體。WBG器件設計比硅基器件具有更高的能效，還能在更高的頻率和更高的溫度下工作。

 

圖2：寬禁帶材料比較

 

例如，在服務(wù)器電源應用中常見(jiàn)的5kW升壓轉換器中，用SiC開(kāi)關(guān)代替Si開(kāi)關(guān)可在80kHz左右的頻率下降低73％的損耗，從而顯著(zhù)提高系統能效。這有助于使系統更小，因為需要的熱管理更少，還可使系統運行溫度更低，從而提高可靠性和實(shí)現更高的器件和系統密度。

 

盡管SiC MOSFET比同等IGBT更貴，但在無(wú)源器件如電感和電容方面的相關(guān)成本節省了75％，這導致SiC設計比Si設計的總物料單(BOM)成本低。更重要的是，在服務(wù)器安裝的整個(gè)生命周期中，節省的能源成本總計可達數萬(wàn)甚至數百萬(wàn)美元。

 

SiC MOSEFT：接近理想的開(kāi)關(guān)

 

很好地結合低導通電阻(Rds-on)和低開(kāi)關(guān)損耗，用于更高的電壓(>600 V)

 

圖3：SIC MOSFET的優(yōu)勢

 

小結

 

對海量和日增的數據存儲的需求正創(chuàng )建一個(gè)非常有競爭力的數據中心環(huán)境。占位空間和電能是最大兩個(gè)的成本，隨著(zhù)運營(yíng)商尋求降低這些成本，他們要求更高效、更可靠和更小的電源方案用于服務(wù)器和存儲設備。

 

雖然在設計成功的服務(wù)器電源方案時(shí)需要考慮許多方面，但高度集成的器件如集成的MOSFET、SPS、eFuse和負載管理等使設計人員能夠創(chuàng )建高效、緊湊和可靠的精密電源方案。eFuse在維護正常運行時(shí)間方面發(fā)揮著(zhù)關(guān)鍵作用，因為它們便于容易出現故障的設備如HDD和風(fēng)扇進(jìn)行熱交換。

 

展望不久的將來(lái)，WBG材料有望在尺寸和性能方面實(shí)現進(jìn)一步的改變，并提高可靠性和能效，從而減少運營(yíng)支出?，F在，WBG方案的BOM成本可與類(lèi)似的硅設計相當或更低，因此這些器件的采用有望加速。

 

 

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