效劳器电源设计中的五大趋向

本期，咱们将聚焦于效劳器电源计划中的五年夜趋向：功率估算、冗余、效力、任务温度以及通讯跟把持，并剖析猜测效劳器PSU 的将来开展趋向。本文援用地点：因为效劳器对处置数据通讯至关主要，因而效劳器行业与互联网同步呈指数开展。只管效劳器单位最初是基于 PC 架构，但效劳器体系必需可能应答日益增添的收集主机数目跟庞杂性。图 1 展现了数据核心中的典范机架式效劳器体系及效劳器体系方框图。电源单位 是效劳器体系的中心，并且须要庞杂的体系架构。本文将探究五种效劳器 PSU 计划趋向：功率估算、冗余、效力、任务温度以及通讯跟把持。图 1. 效劳器体系方框图以及效劳器在数据核心中的地位趋向一：功率估算在 21 世纪初，机架或刀片式效劳器 PSU 的功率估算在 200W 至 300W 之间。事先，每其中央处置单位 (CPU) 的功耗在 30W 至 50W 之间。图 2 展现了 CPU 功耗趋向。图 2. 21 世纪初的 CPU 功耗趋向现在，效劳器 CPU 的功耗约为 200W，跟着热计划功率濒临 300W，效劳器 PSU 的功率估算年夜幅增添至 800W 至 2,000W。为了支撑越来越多的效劳器盘算请求，如互联网上的云盘算跟人工智能 (AI) 盘算，效劳器能够增加图形处置单位 (GPU) 来与 CPU 一同任务。如许，效劳器的功率需要将在五年内增添到 3,000W 以上。然而，因为年夜少数机架或刀片式效劳器 PSU 仍应用额外电流高达 16A 的交换电源插座，因而功率估算无限：在 240VAC 输入下大概为 3,600W（斟酌到转换器效力）。因而，短期内，机架式效劳器 PSU 的功率限度将仍为 3,600W。对数据核心电源架，效劳器 PSU 计划职员普遍采取国际电工委员会 (IEC) 60320 C20 交换电源插座，其额外电流为 20A。PSU 功率估算受其交换电源插座额外电流的限度，这使切当今数据核心 PSU 的功率大概为 3,000W；但在未几的未来，数据核心 PSU 的功率品级可增添到 5,000W 以上。为了进步每个 PSU 的功率估算并实现更高的功率密度，你还能够对交换电源插座应用汇流条，来进步输入电流品级。趋向二：冗余效劳器体系的牢靠性跟可用性十分主要，因而须要冗余 PSU。假如一个或多个 PSU 呈现毛病，体系中的其余 PSU 能够接收供电。简略的效劳器体系能够存在 1+1 冗余，这象征着体系中有一个 PSU 任务，一个 PSU 冗余。庞杂的效劳器体系可能存在 N+1 或 N+N (N 2) 冗余，详细取决于体系牢靠性跟本钱考量。为了在须要调换 PSU 时坚持体系畸形运转，体系须要热插拔（ORing 把持）技巧。因为在 N+1 或 N+N 体系中有多个 PSU 同时供电，因而效劳器 PSU 也须要应用电流共享技巧。即便处于待机形式（未从其主电源轨向输出端供电）的 PSU 也须要在热插拔变乱后即时供给全功率，因而须要功率级连续激活。为了下降待机形式下冗余电源的功耗，“冷冗余”功效正成为一种趋向。冷冗余旨在封闭主电源运转或在突发形式下运转，从而使冗余 PSU 更年夜限制增加待机功耗。趋向三：效力21 世纪初，效力规格仅在 65% 以上；事先，效劳器 PSU 计划职员不优先斟酌效力。传统转换器拓扑能够轻松满意 65% 的效力目的。然而，因为效劳器须要连续运转，效力更高能够年夜年夜下降总领有本钱。自 2004 年以来，经 80 Plus 尺度认证，PC 跟效劳器 PSU 体系效力超越 80%。现在，年夜范围量产的效劳器 PSU 年夜多合乎 80 Plus 金牌（效力 92%）请求，有些乃至能够到达 80 Plus 铂金尺度（效力 94%）。现在正在开辟的效劳器 PSU 重要合乎更高的 80 Plus 钛金规格，这请求半负载时的峰值效力达 96% 以上。表 1 表现了 80 Plus 的种种规格。表 1. 80 Plus 规格可确保效力在 80% 以上别的，依据数据核心 PSU 遵守的开放盘算名目 (OCP) 开放式机架标准，PSU 须要实现 97.5% 以上的峰值效力。因而，无桥功率因数校订 (PFC) 跟软开关转换器等新拓扑，以及碳化硅 (SiC) 跟氮化镓 (GaN) 等宽带隙技巧，有助于 PSU 实现 80 Plus 钛金跟开放盘算效力目的。趋向四：任务温度在效劳器 PSU 热治理方面，计划职员将电扇地点的 PSU 交换电源插座的情况温度界说为效劳器 PSU 的任务温度。21 世纪初，任务温度最高为 45°C，当初到达最高 55°C，详细取决于效劳器机房中的冷却体系。较高的任务温度可下降效劳器冷却体系的动力本钱。与数据核心的资源付出（如硬件装备）比拟，跟着时光的推移，作为经营付出的动力本钱估计会高于资源付出。依据电源应用效力 (PUE) 尺度：PUE = 数据核心总功率/IT 现实应用功率。如表 2 所示，PUE 数值越低，数据核心的效力越高。图 3 是差别任务温度下 PUE 数值的预算。比方，PUE 为 1.25 的数据核心仅容许冷却体系功耗为总功耗的 10%。这象征着效劳器 PSU 须要更高的任务温度。表 2. PUE 数值较低的数据核心存在高效力图 3. 对差别任务温度下 PUE 数值的预算标明，任务温度越高，冷却本钱越低趋向五：通讯跟把持多年来，通讯跟把持在效劳器电源方面施展侧重要感化。21 世纪初，PSU 的外部信息经由过程体系治理总线接口授输到体系端。2007 年，电源治理总线 (PMBus) 接口增添了多项功效，包含设置、把持、监控跟毛病治理、输入/输出电流跟功率、电路板温度、电扇速率把持、及时更新代码、过压（电流、温度）跟维护。之后，为了应答数据核心电源架的增加需要，把持器局域网 (CAN) 总线成为了效劳器电源通讯的一局部。电源治理把持器也跟着通讯总线的开展而开展。21 世纪初，效劳器 PSU 重要由模仿把持器把持。跟着把持需要越来越多，通讯需要也有所增添，应用数字把持器能够更轻易满意这些需要。应用数字把持还能够增加硬件工程师的调试任务，从而有可能下降 PSU 计划跟验证阶段的人力本钱。效劳器 PSU 的将来开展趋向跟着效劳器功率估算增添，而体积坚持稳定，功率密度请求将变得愈加严厉。21 世纪初，功率密度为个位数；而新开辟的效劳器 PSU 则增添到近 100W/in3。经由过程拓扑跟元件技巧演进进步转换器效力，是实现高功率密度的处理计划。与电流、功率跟效力趋向的情形一样，幻想二极管/ORing 把持器须要在小型封装中供给高电流。幻想二极管/ORing 把持器还必需集成监控、毛病处置跟瞬态处置等功效，用于增加实现这些功效所需的元件总数跟 PCB 面积。比方，效劳器 PSU 中的 PFC 电路已从无源 PFC 演化为有源电桥 PFC，再演化为有源无桥 PFC。断绝式直流/直流转换器已从硬开关反激式跟正激式转换器演化为软开关电感器-电感器-电容器谐振跟相移全桥转换器。非断绝式直流/直流转换器已从线性稳压器跟磁缩小器演化为存在同步整流器的降压转换器。随后团体效力的晋升可下降外部功耗跟处理散热成绩所需的任务量。利用于效劳器 PSU 的元件技巧也在一直开展，从 IGBT 跟硅 MOSFET 开展为碳化硅 MOSFET 跟氮化镓 FET 等宽带隙器件。IGBT 跟硅 MOSFET 的非幻想开关特征将开关频率限度在 200kHz 以下。固然宽带隙器件的开关特征更濒临于幻想开关，但应用宽带隙器件能够实现更高的开关频率，从而有助于增加 PSU 中应用的磁性元件数目。跟着任务温度降低，效劳器 PSU 中的元件须要处置更高的热应力，这也推进了电路的开展。比方，一种传统实现计划是将机器继电器与电阻器并联，用于克制启动时期的输入浪涌电流。但因为机器继电器体积过年夜、存在牢靠性成绩跟温度品级较低，固态继电器当初正代替效劳器 PSU 中的机器继电器。功率密度 180W/in3 的 3.6kW 单相图腾柱无桥 PFC 计划跟存在有源钳位、功率密度 270W/in3 的 3kW 相移全桥计划，旨在满意效劳器中罕见的冗余电源标准（图 4）。图 4. 3.6kW 跟 3kW 参考计划方框图在 3.6kW PFC 计划中，固态继电器可顺应较高的任务温度。这里，LMG3522R030 GaN FET 支撑应用无桥图腾柱 PFC 拓扑。“小型升压”可下降年夜容量电容器的体积，从而进步功率密度。在 3kW 相移全桥计划中，LMG3522R030 GaN FET 有助于下降轮回电流，并实现软开关。有源钳位电路用作无损缓冲器，可在下降同步整流器电压应力的情形下，实现更高的转换器效力。经由过程将 C2000™ 微把持器用作数字把持处置器，上述全部把持请求均可实现。