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伺服器DC/DC设计拥抱数位化
一切从「节能」出发

【作者: 姚嘉洋】2015年11月11日 星期三

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伺服器市场近年来的快速成长,成了台湾诸多ODM与OEM大厂们的营收甚至是获利的重要命脉,但对于服务供应商来说,除了伺服器整体系统能否满足服务供应商的市场需求外,对于电力的消耗上,也十分在意,尤其是如脸书、亚马逊与Google这类的业者,尤其如此。


对于伺服器在DC/DC端的设计发展,英飞凌电源管理及多元电子事业处行销经理谢东哲谈到,有鉴于市场上绝大部份都是英特尔的x86架构处理器为主,那么跟着该公司的标准甚至是要通过,就是电源晶片供应商必须要做的事,就目前英特尔现行的VR13标准,英飞凌是第一家打进英特尔参考设计的业者,当然,其他的竞争对手也会陆续跟进,毕竟对客户而言,还是会有测试的动作要做。


电源管理要求多元数位控制蔚为主流

谢东哲进一步谈到,伺服器的DC/DC电源系统的发展,这几年的大方向大致上仍然没有太大的变化,像是整合度、效率与功率密度的提升,英特尔在功率等级上也有增加的趋势。因此,只要英特尔针对电源管理上有些细微的调整,就会牵动数位电源控制器的发展。


英飞凌电源管理及多元电子事业处经理刘宜远就补充指出,基本上,自2010年开始,英特尔的VR12在伺服器的DC/DC电源设计就开始走向数位控制路线,为了要有所因应,市场上的电源晶片供应商便采用半数位或是全数位的作法。而英飞凌与IR(于2014为英飞凌所并购)的作法,则是采取全数位的方式来因应,相较于半数位的作法,全数​​位较有办法符合英特尔的整体规范与要求。刘宜远透露,就英飞凌的角度来看英特尔,其实英特尔的电源设计规范相当的理想化,所以传统的类比电源(亦可称线性电源)设计已经无法满足英特尔的诸多要求。举例来说,英特尔想要让当下的系统采取何种的状态,就直接给予讯号给系统,一般的类比电源根本无法作到,也因此,改采数位电源设计才能有效因应。


再来,绿色电源的概念也已经谈了好几年,其实英特尔的规格里,包含了电源管理,透过处理器的SVID(Serial VID)来进行系统整体的电源管理与节能。除此之外,就电源晶片供应商的角度也会思考,如何在电源控制器与驱动器上进行节能。


由于英特尔对于电源管理上有许多规范与要求,

也使得数位控制的作法应运而生。

其中之一的好处,便是能在轻载状态下发挥效益。

英飞凌资深经理林家鸿也透露,数位电源本身的好处在于,控制晶片可以进行自动相位控制(Auto Phase shedding),它本身要靠电流变化来完成,这会牵涉到补偿(亦可称为回授控制)问题,主要的概念是要判断终端电力的状况,是否有到位,之后再回传递讯号给电力供给端了解接收端的状态。所以,自动相位控制有两个相当重要的步骤:1.自动侦测判断负载2.自动补偿控制


这样才能达到效率优化的目标。



图1 : 图左为英飞凌资深经理林家鸿,图右为英飞凌电源管理及多元电子事业处经理刘宜远。
图1 : 图左为英飞凌资深经理林家鸿,图右为英飞凌电源管理及多元电子事业处经理刘宜远。

DC/DC吹起轻载效率风

谈到轻载的效率表现,过去一般皆认为,仅有AC/DC端才会有这样的要求,但这股风潮也吹向了DC/DC端。


刘宜远表示,正因为伺服器对于功耗上相当的要求,除了在AC/DC上能有着墨外,在DC/DC端也能下不少工夫。其中一个作法就是采取PFM(Pulse-Frequency Modulation;脉冲频率调变)。他举例说明指出,在轻载的时候,若电流负载是在1A或是2A时,同时开关频率太高的情况下,所造成的开关损耗会相当的高,


所以在作法上,可以采用PFM,打一个脉冲讯给系统,就可以降低操作频率。


另外一种,则是延用MCU(微控制器)的深度睡眠机制。这种机制在MCU的世界十分常见,为了尽可能降低整体系统功耗,会将内部不必要的周边元件关闭,遇到系统有需求,再唤醒整颗MCU工作。同样的道理,一颗具备六相的电源控制器,如果当下仅使用到两个相位,那就可以把不必要的功能加以关闭。所以,假设该控制器在六个相位的状态下,会消耗28mA,一个相位仅有9mA,若可以不必要的功能关闭,就有机会将电流消耗压到更低,不会因为过去即便是在待命状态下,该控制器仍然消耗了28mA,浪费了多余的电力。


完整方案有优势 然精进空间有限

大体上,伺服器DC/DC的电源设计,已经简化成数位电源控制器与Power Stage两大区块,后者指的是闸极驱动器与MOSFET(High side + Low side)的整合单晶片,以英飞凌现有的产品线,是属于两者皆有的情况。当然如德州仪器(TI)与快捷半导体等,也拥有伺服器DC/DC的电源方案,但也并非每家公司如英飞凌一样的完整。


快捷半导体资深应用工程经理颜士明谈到,以快捷半导体本身的状况来说,并没有如德州仪器或是英飞凌一样,同时拥有数位电源控制器与Power Stage方案,而是只有Power Stage。对于客户群来说,若能一次满足客户需求,的确为首要选择,某种程度上,这对于快捷半导体较为不利,但也因此,快捷也找了其他拥有数位电源控制器的一线半导体业者合作,以交叉授权的方式,双方都可以出售彼此的解决方案,以进一步满足客户需求。在Power Stage上,则是会与其他的竞争对手的同款产品,以接脚相容的方式,来尽可能取得客户青睐。


颜士明不讳言,过去在伺服器市场曾经发生过电源晶片供应商临时无法供货的紧急状况出现,这也意味着,同款零组件的第二来源(Second Source)有着相当高的重要性,这也让快捷仍然能在伺服器DC/DC电源市场有一席之地。


他更指出,就目前各大主要供应商的Power Stage的大小而言,目前皆为5x6 mm,转换效率方面也可以作到95%以上,所以能够再精进的地方还是相对有限,唯一还能再有突破的地方,可能也仅剩封装技术而已。



图2 : 快捷半导体资深应用工程经理颜士明
图2 : 快捷半导体资深应用工程经理颜士明

而针对控制器方案仍然还是有所不足的情况​​下,颜士明也指出,快捷半导体总部目前仍未放弃,持续开发新一代产品或是采取并购方式,来强化产品线,皆是可能的选项。


结论

总结来看,伺服器DC/DC电源设计的发展走向,仍然与过去并无太大的变化,但可以确定的是,为了追求更为节能的愿景,即便是在轻载的状况下,电源晶片供应商仍不断追求效率极大化与电力消耗最小化。与此同时,为了一次满足电源设计需求,能够同时供应数位电源控制器与Power Stage的业者,虽居于相对优势,但为了能确保零组件供应无虞,第二来源的确保,也是伺服器业者重视的课题。因此,未来伺服器DC/DC电源市场的竞争状况,会如何发展,也许还有待观察。


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