大型數(shù)據(jù)中心需要消耗巨大的電能。為了盡可能地減少浪費(fèi)的能源，電源制造商采用了很多方法來(lái)盡可能地提高電源轉(zhuǎn)換效率。從廣義上講，挑戰(zhàn)是如何在將多相交流電源轉(zhuǎn)換成很低電壓(用于為數(shù)百個(gè)服務(wù)器中的處理器供電)的過(guò)程中保持高效率。
大型數(shù)據(jù)中心需要消耗巨大的電能。為了盡可能地減少浪費(fèi)的能源，電源制造商采用了很多方法來(lái)盡可能地提高電源轉(zhuǎn)換效率。從廣義上講，挑戰(zhàn)是如何在將多相交流電源轉(zhuǎn)換成很低電壓(用于為數(shù)百個(gè)服務(wù)器中的處理器供電)的過(guò)程中保持高效率。這些處理器有三種電源軌：邏輯、存儲(chǔ)器和I/O，它們都要求非常精準(zhǔn)的1V左右的穩(wěn)定電壓，精度要達(dá)到0.01V。
處理器的負(fù)載經(jīng)常會(huì)發(fā)生變化，具體取決于處理器當(dāng)時(shí)的工作量，也就是說(shuō)有多少個(gè)晶體管處于開(kāi)關(guān)工作狀態(tài)。這些負(fù)載要求的電流變化范圍可從幾個(gè)mA到幾十安培，瞬時(shí)需求可達(dá)到每毫秒數(shù)百伏。
使情況變得復(fù)雜的一個(gè)因素是，為處理器上的不同電源軌提供的電壓必須是穩(wěn)定的和滿足定序要求。這些電壓必須以一個(gè)固定的順序和精確的時(shí)序施加和移除。因此，挑戰(zhàn)在于創(chuàng)建一個(gè)高效的電源分配網(wǎng)絡(luò)，它能將電網(wǎng)中的電能高效地轉(zhuǎn)換到這些動(dòng)態(tài)低電壓負(fù)載上。
目前在用或正在討論中的數(shù)據(jù)中心電源分配方案共有5種。但哪種在總體效率方面最優(yōu)呢？爭(zhēng)論還在繼續(xù)，但American Power Conversion公司的Neil Rasmussen寫(xiě)的一篇有趣的分析報(bào)告‘AC vs. DC Power Distribution for Data Centers’給我們提供了一種分析方法學(xué)。
在北美數(shù)據(jù)中心配置中，主電源先經(jīng)過(guò)一個(gè)不間斷電源(UPS)和一個(gè)基于變壓器的電源分配單元(PDU)，再送到服務(wù)器背板上。在其它地區(qū)的配置方案中，由于交流主電源電壓比較高，因此不需要使用PDU。
UPS用于從交流電源線或市電停電時(shí)從電池組提供預(yù)穩(wěn)壓的交流電源。UPS的第一級(jí)只是一個(gè)交流到直流的整流器，其未經(jīng)濾波的輸出被直接連到電池組。UPS的第二級(jí)是一個(gè)逆變器。這個(gè)交流逆變器的輸出接到PDU，PDU提供功率因素校正，并將交流電壓提升后向數(shù)據(jù)中心配電。在每個(gè)設(shè)備機(jī)柜內(nèi)部，一個(gè)前端轉(zhuǎn)換器對(duì)送進(jìn)來(lái)的交流電壓進(jìn)行整流，再經(jīng)過(guò)降壓后配送到背板上。在電信中心局，UPS通常含有一個(gè)很大的48V鉛酸蓄電池組，以提供強(qiáng)制規(guī)定的“5個(gè)9”(99.999%)可用性。因此，48V直接配送到設(shè)備機(jī)柜中的背板總線上。
與傳統(tǒng)方法不同的是，方案d和e的配置基于在數(shù)據(jù)中心各處的前端/UPS和總線上產(chǎn)生較高的直流電壓，這樣可以適當(dāng)?shù)亟档凸β?I2R)損失。方案e配置要求在設(shè)備機(jī)柜中實(shí)現(xiàn)到48V的最后一步降壓工作。另外，方案d配置使用通用降壓轉(zhuǎn)換器，并允許在背板上實(shí)現(xiàn)傳統(tǒng)的48V配送。
由于不認(rèn)可其它研究報(bào)告中作出的支持高直流電壓概念的某些假設(shè)，Rasmussen的分析報(bào)告基本上認(rèn)為“其它地區(qū)”的傳統(tǒng)配置方案最優(yōu)。在設(shè)備機(jī)柜內(nèi)部，通用模式是中間總線架構(gòu)(IBA)。IBA接受標(biāo)稱的48V直流背板電壓，然后將這個(gè)電壓送到每塊電路板上的降壓轉(zhuǎn)換器，這些降壓轉(zhuǎn)換器的尺寸通常是“幾分之一磚”。這一磚型轉(zhuǎn)換器再將48V隔離和轉(zhuǎn)換成比較穩(wěn)定的中間總線電壓。這個(gè)中間總線電壓再送到眾多的負(fù)載點(diǎn)(POL)DC/DC轉(zhuǎn)換器，由這些轉(zhuǎn)換器降壓后向關(guān)鍵的IC提供嚴(yán)格穩(wěn)定的電壓。為了提高效率和便于控制，這些轉(zhuǎn)換器一般是開(kāi)關(guān)型轉(zhuǎn)換器。
為了便于后面的解釋，我們將DC/DC磚型穩(wěn)壓器提供的這個(gè)中間總線電壓看作是標(biāo)準(zhǔn)的12V。在實(shí)際應(yīng)用中，可能是12V、8V或5V直流電壓，取決于具體的系統(tǒng)設(shè)計(jì)�？偩�電壓越高，功率(I2R)損失越少，但在每個(gè)負(fù)載點(diǎn)的簡(jiǎn)單DC/DC降壓穩(wěn)壓器的效率將隨著壓差的增大而下降。因此，中間總線電壓的選擇是一個(gè)折衷。
平坦化效率曲線
在過(guò)去，數(shù)據(jù)手冊(cè)上的電源效率值指的是峰值效率，通常是在額定負(fù)載的50%和80%之間的效率值。實(shí)際效率在滿載時(shí)將稍有下降，在接近20%負(fù)載時(shí)可能會(huì)急劇下降。最近發(fā)布的全球性標(biāo)準(zhǔn)已經(jīng)意識(shí)到負(fù)載的這種變化因素，要求在20%至100%的負(fù)載范圍內(nèi)提供80%以上的高效率。
在整個(gè)負(fù)載范圍內(nèi)改進(jìn)效率已經(jīng)成為所有功率級(jí)別的電源制造商的一個(gè)差異化點(diǎn)。從廣義上講，效率提升技術(shù)包括同步整流、跳周、多相和切相。
同步整流用一個(gè)功率FET代替續(xù)流二極管。具體來(lái)說(shuō)，一個(gè)基本的降壓或升壓轉(zhuǎn)換器只需要一個(gè)開(kāi)關(guān)晶體管加上一個(gè)整流二極管。但這種架構(gòu)的問(wèn)題在于損耗正比于電流與正向壓降的乘積和反向恢復(fù)時(shí)間。具有較小正向壓降和良好反向恢復(fù)特性的肖特基二極管有助于降低這一損耗，但真正對(duì)提升效率有幫助的是另一個(gè)MOSFET開(kāi)關(guān)，而不是硅二極管。
需要做出的犧牲是增加的復(fù)雜性，不管是在元件數(shù)量還是時(shí)序控制。由于在一個(gè)開(kāi)關(guān)打開(kāi)和另一個(gè)開(kāi)關(guān)閉合之間必須存在一定的死區(qū)時(shí)間，因此需要增加時(shí)序控制電路。
此外，這個(gè)死區(qū)時(shí)間要求某類二極管能在頂部開(kāi)關(guān)打開(kāi)和底部開(kāi)關(guān)閉合這段時(shí)間內(nèi)導(dǎo)通。這可以用MOSFET的內(nèi)在體二極管或外部肖特基二極管來(lái)實(shí)現(xiàn)。
在大功率交直流反激拓?fù)滢D(zhuǎn)換器中，準(zhǔn)諧振或谷底開(kāi)關(guān)電源會(huì)根據(jù)輸入電壓的變化而改變開(kāi)關(guān)頻率，以在MOSFET漏電壓的最低點(diǎn)或谷底開(kāi)關(guān)MOSFET。
跳周可以提高輕負(fù)載時(shí)的效率。在跳周模式下，只有當(dāng)輸出電壓下降到穩(wěn)壓門(mén)限值之下時(shí)才會(huì)產(chǎn)生一個(gè)新的周期。開(kāi)關(guān)頻率正比于負(fù)載電流。在使用同步整流時(shí)，必須注意當(dāng)流過(guò)電感的電流反向時(shí)必須打開(kāi)開(kāi)關(guān)，以便讓MOSFET內(nèi)的內(nèi)在體二極管阻塞反向電流。
多相和切相包含多個(gè)低電流開(kāi)關(guān)轉(zhuǎn)換器。這些轉(zhuǎn)換器運(yùn)行在一個(gè)公共的開(kāi)關(guān)頻率之下，但它們的時(shí)鐘相位不同。
將多個(gè)開(kāi)關(guān)穩(wěn)壓器的輸出并聯(lián)起來(lái)除了可以增加電流輸出能力，而且還有其它好處。多相DC/DC轉(zhuǎn)換器中的每個(gè)并聯(lián)開(kāi)關(guān)可工作在相對(duì)較低的頻率。不過(guò)，它們并聯(lián)起來(lái)能夠達(dá)到以很高開(kāi)關(guān)頻率工作的單相轉(zhuǎn)換器的響應(yīng)和穩(wěn)壓性能，而且沒(méi)有與更高開(kāi)關(guān)頻率帶來(lái)的更大開(kāi)關(guān)損耗。此外，通過(guò)交叉相位，固有的輸出紋波也能得到平滑。
但僅當(dāng)切相被提出來(lái)時(shí)，業(yè)界才對(duì)多相開(kāi)關(guān)穩(wěn)壓器真正發(fā)生興趣，因?yàn)榍邢嗉夹g(shù)可以在處理輕負(fù)載時(shí)也能提供更高的效率。在輕負(fù)載時(shí)，切斷一些相位是很有用的，因?yàn)閱蝹�(gè)轉(zhuǎn)換器只在較大負(fù)載時(shí)才有較高的效率。隨著總負(fù)載的增加，切掉的相位可以重新啟用。這里的關(guān)鍵技巧在于相位同步和平衡，即動(dòng)態(tài)調(diào)整相對(duì)相位角。
在某些情況下，最好同步驅(qū)動(dòng)所有的時(shí)鐘相位。Primarion公司(現(xiàn)在屬于英飛凌)的一些DC/DC穩(wěn)壓器就是這樣做的。這些芯片可以在兩種模式之間切換，一種是“正�！蹦Ｊ剑硪环N叫做主動(dòng)瞬時(shí)響應(yīng)(ATR)模式。
在正常模式下，相位脈沖是均勻分布的，以使整體紋波最小。在ATR模式下，時(shí)鐘到達(dá)所有相位的時(shí)間都是一致的，通過(guò)有效的并聯(lián)電感來(lái)減小總的電感量，并增加瞬態(tài)斜坡時(shí)間。這種技術(shù)已被成功應(yīng)用于具有8個(gè)相位的負(fù)載點(diǎn)，這種負(fù)載點(diǎn)在電感上的di/dt速率超過(guò)800A/us，在輸出電容上超過(guò)1500A/us。
數(shù)字電源
大約5年前，關(guān)于在模擬域還是數(shù)字域中實(shí)現(xiàn)開(kāi)關(guān)電源中的控制環(huán)路還有很大的爭(zhēng)論。最后，所有人都認(rèn)識(shí)到這是錯(cuò)誤的爭(zhēng)論，“數(shù)字”應(yīng)該意味著遙測(cè)和可編程總線(另一種可能性是通過(guò)外部電阻或引腳跨接對(duì)一些參數(shù)進(jìn)行編程)。
不管控制環(huán)路用哪種實(shí)現(xiàn)方式，這些目標(biāo)都能達(dá)到，因此完全有可能將模擬控制環(huán)路做在數(shù)字電源中。(在數(shù)字域中目前仍存在通過(guò)MCU和通過(guò)狀態(tài)機(jī)實(shí)現(xiàn)控制哪個(gè)更好的爭(zhēng)論。)
雙向控制和監(jiān)視總線有很多優(yōu)點(diǎn)。從下游角度看，它支持快速重配置。雙向使用方式再加上圖形用戶界面(GUI)提供了一種在線管理控制環(huán)路的途徑。從上游角度看，雙向控制和監(jiān)視總線有利于系統(tǒng)診斷以及對(duì)潛在故障的預(yù)測(cè)。通過(guò)溫度監(jiān)視，它能管理多個(gè)服務(wù)器風(fēng)扇以避免機(jī)箱內(nèi)形成熱點(diǎn)。
由于市場(chǎng)明顯傾向于某類控制總線，問(wèn)題就集中在實(shí)現(xiàn)方面：工業(yè)標(biāo)準(zhǔn)總線是否更好，專有總線是否能提供更多的創(chuàng)新等等。這是經(jīng)典的開(kāi)源和閉源的爭(zhēng)論。這樣的爭(zhēng)論導(dǎo)致開(kāi)發(fā)工作停滯了一年多。
與此同時(shí)，解釋這種狀況的****方式是先了解PMBus。這是一種開(kāi)放標(biāo)準(zhǔn)數(shù)字電源管理協(xié)議，主要用于電源轉(zhuǎn)換器和其它器件之間的通信。PMBus規(guī)定了傳送和物理接口，還新增了一種命令語(yǔ)言。不過(guò)，它不能用于兩個(gè)電源之間的通信。
其傳送層基于的是I2C串行總線的SMBus(系統(tǒng)管理總線)擴(kuò)展，具有數(shù)據(jù)包錯(cuò)誤檢測(cè)和主機(jī)告知功能。它不采用詢問(wèn)方式，而是增加了第三根信號(hào)線，允許從器件(如負(fù)載點(diǎn)轉(zhuǎn)換器)中斷系統(tǒng)主機(jī)/總線主器件。另外，還有一些硬連線信號(hào)，用于打開(kāi)和關(guān)閉從器件，以及存儲(chǔ)器保持?jǐn)?shù)據(jù)的寫(xiě)保護(hù)。另外還包括數(shù)據(jù)包規(guī)范和電源控制特殊命令集。
Power-One公司的Z-Bus是一直很有競(jìng)爭(zhēng)力的專有方案。PMBus會(huì)給系統(tǒng)控制器帶來(lái)一定的編碼和運(yùn)算開(kāi)銷。Z-Bus采用了一個(gè)獨(dú)立的可以處理許多負(fù)載點(diǎn)的控制器。
這個(gè)專有的Z系統(tǒng)要領(lǐng)先于PMBus，并且工作方式不同。它依賴于一個(gè)外部控制器，這個(gè)控制器通過(guò)I2C接口獲取命令，并通過(guò)一根被稱為Z-Bus的同步/數(shù)據(jù)線與Z-POL通信。Z-Bus使多個(gè)Z-POL同步于管理芯片中的主時(shí)鐘，并在POL和動(dòng)態(tài)電源管理(DPM)之間運(yùn)載雙向數(shù)據(jù)。Z系統(tǒng)可以在輸出電壓、輸出跟蹤和定序、開(kāi)關(guān)頻率、交織以及主動(dòng)數(shù)字電流共享等方面提供多負(fù)載點(diǎn)控制功能。
除了電壓調(diào)整外，可編程參數(shù)還包括輸出跟蹤與定序、開(kāi)關(guān)頻率、交織、反饋環(huán)路補(bǔ)償以及與多個(gè)Z-POL轉(zhuǎn)換器的主動(dòng)數(shù)字電流共享。可編程保護(hù)功能包括輸出過(guò)流和過(guò)壓、輸入欠壓、電源正常信號(hào)門(mén)限和故障管理。實(shí)時(shí)報(bào)告包括輸出電壓、電流和負(fù)載點(diǎn)溫度等內(nèi)容。這些都可以通過(guò)高度直觀的GUI進(jìn)行編程。
在2007年底，Z-Bus和PMBus之間的競(jìng)爭(zhēng)進(jìn)入了一個(gè)新的階段，當(dāng)時(shí)評(píng)判委員會(huì)一致同意任何使用PMBus控制負(fù)載點(diǎn)的做法都是侵害了Power-One的專利。因此突然之間，有關(guān)針對(duì)IBA應(yīng)用的數(shù)字負(fù)載點(diǎn)的新產(chǎn)品發(fā)布數(shù)量幾乎為零，但不是完全沒(méi)有。
去年，愛(ài)立信電源模塊公司似乎成功規(guī)避了上述專利問(wèn)題。該公司將PMBus控制轉(zhuǎn)移到以前的“啞”磚上，并增強(qiáng)了穩(wěn)壓性能，從而減輕了負(fù)載點(diǎn)的負(fù)擔(dān)。另外特別要提到的是，愛(ài)默生公司推出了標(biāo)準(zhǔn)四分之一磚尺寸的新款部分磚型穩(wěn)壓器，這個(gè)穩(wěn)壓器可以通過(guò)PMBus設(shè)置輸出電平在8.5V至13.5V之間，精度為±2%，輸出電流在12V時(shí)能達(dá)到33A。由于數(shù)字控制環(huán)路的應(yīng)用，這個(gè)穩(wěn)壓器在一半負(fù)載時(shí)的典型效率達(dá)96%，而且在整個(gè)負(fù)載范圍內(nèi)的效率非常平坦。
愛(ài)立信在磚式穩(wěn)壓器的標(biāo)準(zhǔn)輸入/輸出引腳的兩端為通信總線增加了一個(gè)獨(dú)立的頭部標(biāo)識(shí)。該總線引腳允許其中兩個(gè)磚式穩(wěn)壓器進(jìn)行負(fù)載分擔(dān)，同時(shí)對(duì)它們的開(kāi)關(guān)信號(hào)自動(dòng)進(jìn)行相位交織以減少傳導(dǎo)干擾。這種做法是否仍侵害了Power-One的專利聲明目前還不清楚，但這是過(guò)去幾年來(lái)唯一讓大家感興趣的采用PMBus前沿技術(shù)的新產(chǎn)品。
其它玩家
在德州評(píng)判委員會(huì)于2007年11月做出有利于Power-One的決議之前，曾發(fā)布過(guò)PMBus負(fù)載點(diǎn)產(chǎn)品的公司包括Intersil、凌力爾特、美信、Primarion/英飛凌以及TI。這個(gè)領(lǐng)域中的其它公司對(duì)Power-One公司聲明的寬泛性十分惱火。
2005年，Zilker Labs(最近已被Intersil公司收購(gòu))推出了采用狀態(tài)機(jī)控制而不是微控制器的負(fù)載點(diǎn)系列產(chǎn)品。對(duì)設(shè)計(jì)師來(lái)說(shuō)，Zilker/Intersil方法真正吸引人的地方也許是易用性，特別是在相同電路中使用多個(gè)Zilker控制器非常容易。
這些控制器可以在穩(wěn)定的輸出電壓、加電延時(shí)以及輸出電壓斜坡速率方面單獨(dú)進(jìn)行編程(引腳復(fù)用、電阻或SMBus)。SMBus編程具有最高的精度，但僅使用一對(duì)電阻就能讓輸出在0.6V至5.5V之間以10mV步距進(jìn)行調(diào)節(jié)。另外，簡(jiǎn)單的引腳復(fù)用(3個(gè)引腳：低電平、高電平或開(kāi)路)也能將輸出電壓設(shè)置為0.6V至5V之間的9個(gè)任意值。
在加電順序方面，可以按預(yù)先定義好的順序給Zilker的一組負(fù)載點(diǎn)器件加電，方法是發(fā)送PMBus命令指定順序鏈中的前后器件。而更簡(jiǎn)單的方法是使用Zilker公司的自動(dòng)定序?qū)＠Ｊ剑@時(shí)不需要I2C/SMBus 主機(jī)。
所有要做的事情是將I2C引腳互連到每個(gè)器件。在這種情況下，加電順序取決于每個(gè)器件的總線地址。當(dāng)所有轉(zhuǎn)換器都同步于同一開(kāi)關(guān)時(shí)鐘時(shí)，可以實(shí)現(xiàn)相位擴(kuò)展。這時(shí)每個(gè)芯片的相位偏移取決于每個(gè)器件的地址，即相位偏移=器件地址×45°。
Vicor公司在2003年推出的分比功率方案與所有其它公司有根本的區(qū)別。該方案采用非常高效的類似非調(diào)節(jié)隔離型負(fù)載點(diǎn)的芯片，同時(shí)提供上游穩(wěn)壓機(jī)制。它的優(yōu)點(diǎn)包括更高的總線電壓，低的功率(I2R)損失和低的電壓降。
另外，把用于存儲(chǔ)能量以滿足負(fù)載瞬態(tài)電流需求的大電容從負(fù)載點(diǎn)的輸出端向上游移動(dòng)到輸入端可以將所需電容值減小負(fù)載點(diǎn)降壓比的平方數(shù)。最后，它能通過(guò)隔離勢(shì)壘精確地控制負(fù)載電壓，無(wú)需再使用對(duì)噪聲敏感的長(zhǎng)反饋線、光耦或磁耦。
分比功率架構(gòu)引入了新的術(shù)語(yǔ)。隔離變壓模塊(VTM)位于負(fù)載端，而前置穩(wěn)壓器模塊(PRM)位于上游。負(fù)載調(diào)整利用到上游PRM的反饋完成。PRM調(diào)整分比總線電壓以保持負(fù)載電壓的穩(wěn)定。
這里的關(guān)鍵是VTM作為電流變換器的功能。它用“K”因子乘以電流(或除電壓)。這個(gè)功能是在100%轉(zhuǎn)換占空比的情況下實(shí)現(xiàn)的，因此在高K值時(shí)沒(méi)有效率損失。這樣，總線電壓可以(事實(shí)就是)超過(guò)12V。事實(shí)上，總線電壓僅受限于安全因素。
VTM輸入端的大電容反映到負(fù)載點(diǎn)時(shí)有一個(gè)等于VTM電流增益平方的增益。因此在負(fù)載端只需要一個(gè)很小的在小于1毫秒的短時(shí)間內(nèi)起作用的陶瓷旁路電容。
PRM采用了一種ZVS降壓-升壓控制架構(gòu)。其輸入電壓范圍從1.5V至400V，并能在5:1的范圍內(nèi)降壓或升壓，轉(zhuǎn)換效率最高可達(dá)98%。在正常配置條件下，輸出電壓接近于輸入電壓：不穩(wěn)定的48V到穩(wěn)定的48V。一個(gè)PRM****可以輸出300W功率，VTM和PRM還可以并聯(lián)使用以提供更大的輸出功率。
VTM采用零電壓切換和零電流切換(ZCS/ZVS)拓?fù)�，Vicor稱之為正弦幅值轉(zhuǎn)換器，或SAC。其動(dòng)力源是一個(gè)低Q值、高頻率的受控振蕩器，這種振蕩器具有高頻譜純度和共模對(duì)稱性，在實(shí)際應(yīng)用中可達(dá)到無(wú)噪聲工作的境界。
控制架構(gòu)將操作頻率鎖定到動(dòng)力源的諧振頻率，從而通過(guò)有效地抵消電抗元件來(lái)優(yōu)化效率和減小輸出阻抗。單個(gè)VTM的等效電阻ROUT綜合了VTM中的所有損耗，可低至0.8mΩ。如果這個(gè)值還不夠小，或者還需要更大的功率，可以通過(guò)并聯(lián)VTM實(shí)現(xiàn)電流分擔(dān)。因此基于SAC的VTM在很大程度上是一種線性電壓/電流轉(zhuǎn)換器，在高達(dá)1MHz左右的頻率范圍內(nèi)具有平坦的輸出阻抗。
SAC VTM中的第二個(gè)電流是很純的正弦曲線。VTM基本無(wú)電感的很低輸出阻抗能接近瞬時(shí)地響應(yīng)負(fù)載電流的100%變化。由于VTM中沒(méi)有內(nèi)部穩(wěn)壓電路，并且不存在服務(wù)性環(huán)路時(shí)延和穩(wěn)定性問(wèn)題，因此不要求內(nèi)部控制動(dòng)作來(lái)響應(yīng)負(fù)載的變化。內(nèi)部ASIC控制器只是連續(xù)地控制和同步開(kāi)關(guān)操作以保持它們的協(xié)同性。 |
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