智能電源方案用于數(shù)據(jù)中心,減小尺寸、增強(qiáng)可靠性并降低運(yùn)營成本

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(shù)據(jù)，無論是在我們的個(gè)人生活中還是在我們工作的時(shí)候。此外，聯(lián)接數(shù)十億設(shè)備并不斷增長的物聯(lián)網(wǎng)(IoT)正在創(chuàng)建數(shù)據(jù)，完全無需人類幫助。隨著移動(dòng)技術(shù)發(fā)展到第五代(5G)，將有能力創(chuàng)建更多的數(shù)據(jù)并以比以往任何時(shí)候都更快的速度運(yùn)行，從而為數(shù)據(jù)增長的趨勢提供更大的動(dòng)力。

所有這些數(shù)據(jù)都需要存儲(chǔ)在某處，以進(jìn)行處理和保存記錄。我們?nèi)諠u轉(zhuǎn)向“云”以保護(hù)這重要信息。但是，“云”并不是個(gè)虛無的地方，它以巨大的數(shù)據(jù)中心的形式牢固地扎根，這些數(shù)據(jù)中心的規(guī)模和數(shù)量正在迅速增長，以應(yīng)對(duì)對(duì)額外存儲(chǔ)容量不斷增長的需求。

毫不奇怪，數(shù)據(jù)中心需要大量的電力才能運(yùn)行。目前，據(jù)估計(jì)，它們消耗了美國國內(nèi)約3%的電力，盡管這一比例預(yù)計(jì)在未來20年內(nèi)將上升到15%。每年出貨的服務(wù)器超過一千萬臺(tái)，這一數(shù)字還在以每年約5%的速度增長，以滿足包括虛擬實(shí)境(VR)/增強(qiáng)實(shí)境(AR)、人工智能(AI) 訓(xùn)練和IoT等新興應(yīng)用日益增長的需求。

電源能效和可靠性可能是數(shù)據(jù)中心行業(yè)最重要的議題，因?yàn)槲锢砜臻g非常寶貴，電能成本不斷上漲，而系統(tǒng)可靠性至關(guān)重要。隨著能效的提高，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(jié)省空間，或支持可用空間納入更多的計(jì)算能力和存儲(chǔ)容量。

盡管進(jìn)行了可靠性設(shè)計(jì)，但在數(shù)據(jù)中心的使用壽命期間，具有活動(dòng)部件的組件如磁盤驅(qū)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(tǒng)設(shè)計(jì)為允許對(duì)這些器件進(jìn)行熱插拔、交換，以便維修和升級(jí)不會(huì)導(dǎo)致系統(tǒng)停機(jī)。

技術(shù)提供方案解決電源挑戰(zhàn)

為應(yīng)對(duì)數(shù)據(jù)中心帶來的挑戰(zhàn)，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(dǎo)體的NCP3284 DC-DC轉(zhuǎn)換器在5 mm x 6 mm的微小面積內(nèi)具有30 A連續(xù)（45A脈沖）的能力，工作頻率高達(dá)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(hù)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(jí)(SPS)方案如FDMF3170。SPS集成MOSFET與先進(jìn)的驅(qū)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(zhuǎn)換器設(shè)計(jì)。

這全集成的方法使SPS在驅(qū)動(dòng)器和MOSFET的動(dòng)態(tài)性能、系統(tǒng)寄生降低和MOSFET導(dǎo)通電阻得以優(yōu)化。FET對(duì)經(jīng)過優(yōu)化，可實(shí)現(xiàn)最高能效，尤其是在對(duì)現(xiàn)代能效要求如80 plus非常嚴(yán)格的低占空比應(yīng)用。

圖1：多相控制器和DrMOS電源級(jí)提供方案

高精度電流監(jiān)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方法相關(guān)的損耗。

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

安森美半導(dǎo)體的NCP81295/6熱插拔控制器支持最高60A峰值電流（連續(xù)50A），基于0.8m ?的內(nèi)部MOSFET以實(shí)現(xiàn)高效運(yùn)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(dá)+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輸入電壓。內(nèi)置電壓鉗位限制輸出電壓以保護(hù)負(fù)載，同時(shí)保持連續(xù)供電，使驅(qū)動(dòng)器可持續(xù)正常工作。

復(fù)雜系統(tǒng)如服務(wù)器通常需要對(duì)其電源系統(tǒng)進(jìn)行智能控制，以確保正常運(yùn)行以及盡可能高的能效水平。負(fù)載管理器件支持對(duì)電源軌進(jìn)行分段，從而實(shí)現(xiàn)精細(xì)控制。允許電路的未使用部分?jǐn)嚯?，有助于啟?dòng)時(shí)上電排序和降低運(yùn)營成本。反過來，較低的功率水平會(huì)導(dǎo)致系統(tǒng)中的熱量減少，從而提高可靠性和增加使用壽命。大多數(shù)負(fù)載開關(guān)還支持轉(zhuǎn)換速率控制，并可在故障條件下提供保護(hù)。

系統(tǒng)設(shè)計(jì)人員使用集成的負(fù)載開關(guān)如安森美半導(dǎo)體的NCP455xx系列，可獲得這些好處，且增加的系統(tǒng)器件數(shù)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(duì)服務(wù)器電源系統(tǒng)的尺寸、可靠性、能效和運(yùn)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(dǎo)體。WBG器件設(shè)計(jì)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(yīng)用中常見的5kW升壓轉(zhuǎn)換器中，用SiC開關(guān)代替Si開關(guān)可在80kHz左右的頻率下降低73％的損耗，從而顯著提高系統(tǒng)能效。這有助于使系統(tǒng)更小，因?yàn)樾枰臒峁芾砀伲€可使系統(tǒng)運(yùn)行溫度更低，從而提高可靠性和實(shí)現(xiàn)更高的器件和系統(tǒng)密度。

盡管SiC MOSFET比同等IGBT更貴，但在無源器件如電感和電容方面的相關(guān)成本節(jié)省了75％，這導(dǎo)致SiC設(shè)計(jì)比Si設(shè)計(jì)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(jié)省的能源成本總計(jì)可達(dá)數(shù)萬甚至數(shù)百萬美元。

SiC MOSEFT：接近理想的開關(guān)

很好地結(jié)合低導(dǎo)通電阻(Rds-on)和低開關(guān)損耗，用于更高的電壓(>600 V)

圖3：SIC MOSFET的優(yōu)勢

小結(jié)

對(duì)海量和日增的數(shù)據(jù)存儲(chǔ)的需求正創(chuàng)建一個(gè)非常有競爭力的數(shù)據(jù)中心環(huán)境。占位空間和電能是最大兩個(gè)的成本，隨著運(yùn)營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(chǔ)設(shè)備。

雖然在設(shè)計(jì)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(fù)載管理等使設(shè)計(jì)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(hù)正常運(yùn)行時(shí)間方面發(fā)揮著關(guān)鍵作用，因?yàn)樗鼈儽阌谌菀壮霈F(xiàn)故障的設(shè)備如HDD和風(fēng)扇進(jìn)行熱交換。

展望不久的將來，WBG材料有望在尺寸和性能方面實(shí)現(xiàn)進(jìn)一步的改變，并提高可靠性和能效，從而減少運(yùn)營支出?，F(xiàn)在，WBG方案的BOM成本可與類似的硅設(shè)計(jì)相當(dāng)或更低，因此這些器件的采用有望加速。