云計算中實現(xiàn)最佳電源系統(tǒng)設計

作為一個家喻戶曉的術語，云計算在技術市場領域的重要性和吸引力越來越大。簡單地說，云是指通過互聯(lián)網(wǎng)提供的任何服務。云計算背后的概念是創(chuàng)建一個無處不在的基礎設施，以實現(xiàn)對數(shù)據(jù)和信息的快速、可擴展的訪問。雖然大多數(shù)人把云定義和解釋為一個大型公共網(wǎng)絡，但也有以提供有限訪問和需授權的安全專用網(wǎng)絡的私有云服務。大多數(shù)消費者通過前端訪問與云進行交互，云的前端包括軟件、應用程序、圖形用戶接口(GUI)和存儲。為了支持大量可選的前端用戶接口，云需要一個重要的后端基礎設施，包括電源、服務器、數(shù)據(jù)存儲和計算機。隨著前端云服務需求的不斷增加，后端系統(tǒng)也必須是可升級的和可擴展的。

全球數(shù)據(jù)中心市場預計將以6.4% 的年復合增長率(CAGR) 從2020 年的191 億美元增長到2025 年的261億美元。隨著云計算需求的持續(xù)增長，對處理能力的要求也隨之增加。據(jù)統(tǒng)計，2018 年全球數(shù)據(jù)中心耗電量為205 兆瓦時。如此龐大的電力需求，使能效和可靠性成為優(yōu)先考慮的因素。

1   云電源轉換

大多數(shù)數(shù)據(jù)中心的機架由額定電壓為220 V 的不間斷電源（UPS）供電，每個機架的額定功率接近100 kW。考慮到大多數(shù)處理器核的額定電壓低于2 V，高電壓需要進行轉換和分配。此外，額定功率越高，表明需要以最高能效重新路由大量的電流，以最小化功耗和熱量。大多數(shù)服務器機架有一個48 V 的背板電源。這是機架中每臺服務器的主要電源，也被稱為服務器刀片。48 V在過去一直是電信和網(wǎng)絡基礎設施的標準電源。選擇48 V 的原因是，人們通常認為它是對人體無害的最高電壓。通常，要求電壓水平超過48 V 的設備必須是雙重絕緣的，并有其他更多嚴格的安全要求。

圖1 交流電源到服務器背板框圖

2   48 V對比12 V

已經(jīng)有很多圍繞48 V 服務器電源的討論和實驗。過去大多數(shù)計算機和服務器平臺的內(nèi)部電源都是12 V。這通常是傳統(tǒng)的要求，源于舊的硅技術以及非易失性存儲的硬盤驅動器、冷卻風扇和計算平臺的其他組件。CPU 功耗隨著每一代處理器的升級急劇增加，高電流水平已開始產(chǎn)生顯著的導通損耗和低能效。功率損失也會產(chǎn)生熱量，這是高密度計算的大敵，因其導致設備使用壽命縮短并產(chǎn)生系統(tǒng)漏洞。應對這種損耗的一種方法是將48 V 機架電源引入服務器本身，并引入負載點（POL）電源轉換器。

導通損耗= ( 負載電流² 的平方)×( 導通路徑電阻)   （1）

從公式（1）發(fā)現(xiàn)，48 V 電源可用四分之一的電流向負載提供相同的功率，從而將導通路徑上的功耗減少16 倍。這對系統(tǒng)能效的顯著提升帶來了一些挑戰(zhàn)。12 V 電源方案已經(jīng)經(jīng)過多代優(yōu)化，能效極高。更高電壓的電源需要更大的降壓以達到CPU 核心電壓，這可能導致電源轉換級能效較低。此外，還需要更高電壓的硅技術，而且對于MOSFET（金屬- 氧化物場效應晶體）架構來說，每單位面積的電阻往往更高，這也會增加系統(tǒng)成本。這些系統(tǒng)挑戰(zhàn)導致了試驗性地實施創(chuàng)新和先進的架構。最有前景的新電源轉換技術之一是開關槽路電容器（STC）轉換器，如圖2。這些轉換器能效極高，在某些情況下電路面積更小。根據(jù)設計人員和整體系統(tǒng)結構的不同，單級和多級轉換方案都已被證實是成功的。具體的中間電壓將因硅供應商而異，通常根據(jù)他們的特定技術來選擇。圖3 所展示的最高效的整體方案是48 V-12 V-1 V，為CPU 核供電。這種方法利用了兩種成熟的方案，并調節(jié)了凈壓降，最大化系統(tǒng)總能效。

圖2 開關槽路電容器（STC）轉換器有單級和多級設計之分

圖3 48 V至1 V兩級轉換器為CPU核心供電

3   內(nèi)核CPU電源

大電流DC-DC 電源轉換器通常采用多相拓撲。每相通常包括兩個采用上下半橋配置的MOSFET 和一個電感，以形成一個單一的降壓轉換器。這架構通常被稱為功率級。多相協(xié)同工作，由一個智能電源管理集成電路（PMIC）控制。每個相位的開關必須交錯開來，并仔細控制，以優(yōu)化負載調節(jié)、紋波、瞬態(tài)響應和包括輻射和導通的噪聲產(chǎn)生。功率級的數(shù)量和其中每一級的電流都是為特定一代的CPU 精心調校的。市場已觀察到所需的相位數(shù)正在迅速增加，且每個功率級的電流密度也越來越高。最先進的多相轉換器采用多達16 個相位，總輸送功率動輒超過1 000 W，如圖4 所示。

圖4 采用16相位提供1 VCPU電源的轉換器設計

4   智能功率級

先進CPU 需要極高功率密度的一個副產(chǎn)品是要求極嚴格的負載調節(jié)。先進的深次微米硅技術不能容忍電源和信號節(jié)點上的電壓偏移。這就需要確保為CPU 供電的多相PMIC 密切監(jiān)測每相的電壓、電流和溫度。所有這些信息都由智能功率級收集和管理，包括故障管理。由于輸送到CPU 的電流非常大，一個管理不善的故障狀況可能會迅速破壞處理器，導致更換一個或多個非常昂貴的部件。最先進的智能功率級考慮了負載電感和相關的瞬態(tài)尖峰以及其他系統(tǒng)寄生物，以最大化整個系統(tǒng)的可靠性。它們也是提高整個系統(tǒng)能效的一個關鍵因素。

圖5 強調智能功能需求的不同功率電路之效率比較

5   總結

隨著消費者期望越來越多的數(shù)據(jù)觸手可及，云市場領域將繼續(xù)發(fā)展和擴大。為了滿足這些需求，支持云基礎設施的技術領域必須持續(xù)創(chuàng)新并預測市場需求。整個云端電源樹，包括多相控制器、智能功率級和POL，都必須精心設計和制造，才能實現(xiàn)優(yōu)化能效和可靠性的整體設計，以支持這基礎設施。安森美為整個電源樹提供領先行業(yè)的方案，用于從48 V 到1 V 的每個節(jié)點。

（本文來源于《電子產(chǎn)品世界》雜志2022年5月期）