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智能電源配置用於資料中心
減小尺寸、增強可靠性並降低營運成本

【作者: Ali Husain】   2019年10月24日 星期四

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給雲供電

身處社會,我們每天都在創建、使用和分享前所未有的資料,無論是在我們的個人生活中或是在工作的時候。此外,聯接數十億設備並不斷增長的物聯網(IoT)正在創建資料,完全無需人類?明。隨著移動技術發展到第五代(5G),將有能力創建更多的資料,並以比以往任何時候都更快的速度運行,從而為資料增長的趨勢提供更大的動力。


所有這些資料都需要儲存在某處,以進行處理和保存記錄。我們日漸轉向「雲」以保護這重要資訊。 但是,「雲」並不是個虛無的地方,它以巨大的資料中心的形式牢固地扎根,這些資料中心的規模和數量正在迅速增長,以應對額外儲存容量不斷增長的需求。


毫不奇怪,資料中心需要大量的電力才能運行。根據估計,目前它們消耗了美國國內約3%的電力,儘管這一比例預計在未來20年內將上升到15%。每年出貨的伺服器超過一千萬台,這一數字還在以每年約5%的速度增長,以滿足包括虛擬實境(VR)/增強實境(AR)、人工智慧(AI) 訓練和IoT等新興應用日益增長的需求。


電源效能和可靠性可能是資料中心行業最重要的議題,因為物理空間非常寶貴,電能成本不斷上漲,而系統可靠性至關重要。隨著效能的提高,工作溫度下降,這本身就提高了可靠性。這也使電源配置更緊湊,從而節省空間,或支援可用空間納入更多的計算能力和儲存容量。


儘管進行了可靠性設計,但在資料中心的使用壽命期間,具有活動部件的元件,如磁碟機和風扇仍會磨損並且可能會發生故障,因此,必須將電源系統設計為允許對這些器件進行熱插拔/交換,以便維修(和升級)不會導致系統停機。


技術提供方案解決電源挑戰

為應對資料中心帶來的挑戰,電源配置必須更小、更緊湊、更高效和更精密。


MOSFET技術有顯著改進,支援將控制IC和MOSFET整合在一個非常高效和緊湊的封裝中。例如,安森美半導體的NCP3284 DC-DC轉換器在5 mm x 6 mm的微小面積內具有30 A連續(45A脈衝)的能力,工作頻率高達1MHz,可減少外部電感器和電容器的尺寸和重量。 該整合器件還整合多種保護功能和可程式設計軟啟動。


功率密度水準更高的是智慧電源級(SPS)方案如FDMF3170。SPS整合MOSFET與先進的驅動器IC及電流和溫度感測器,支援高電流、高頻、同步降壓DC-DC轉換器設計。


這完全整合的方法使SPS在驅動器和MOSFET的動態性能、系統寄生降低和MOSFET導通電阻得以優化。 FET對經過優化,可實現最高效能,尤其是在對現代效能要求,如80 plus非常嚴格的低占空比應用。



圖1 : 多相控制器和DrMOS電源級提供方案
圖1 : 多相控制器和DrMOS電源級提供方案

高精度電流監控(IMON)可用於替代電感器DCR或電阻器檢測方法,從而消除了通常與此類方法相關的損耗。


在現代資料中心伺服器系統中,即使是不起眼的保險絲也進行了改造。 重要的是,在RAID系統、磁碟機電源和伺服器I/O卡等應用中,玻璃盒中的熔絲已被基於半導體的智慧電子熔絲(eFuse)取代。


eFuse使用低導通電阻MOSFET,在正常運行期間和發生熱插拔時保護外設。實際上,它們可用於可能發生電源故障或負載故障以及可能需要限制浪湧/衝擊電流的任何應用。 除了為器件、連接器和PCB走線提供保護之外,它們還能由系統控制,並且許多都可提供有用的遙測功能,如監測溫度和電流。


安森美半導體的NCP81295/6熱插拔控制器支持最高60A峰值電流(連續50A),基於0.8m ?的內部MOSFET以實現高效運行。它們採用5mm x 5mm 32引腳QFN封裝,提供閂鎖或自動重試版本,適合在高達+125C的溫度下使用。


另一個eFuse NIS5021是12V、12A系列器件,常與熱插拔硬碟一起使用。它緩衝HDD,使其不處於可能損壞敏感電路的任何過輸入電壓。內置電壓鉗位元限制輸出電壓以保護負載,同時保持連續供電,使驅動器可持續正常工作。


複雜系統如伺服器通常需要對其電源系統進行智慧控制,以確保正常運行以及盡可能高的效能水準。負載管理器件支援對電源軌進行分段,從而實現精細控制。允許電路的未使用部分斷電有助於啟動時上電排序和降低營運成本。反過來,較低的功率水準會導致系統中的熱量減少,從而提高可靠性和增加使用壽命。大多數負載開關還支援轉換速率控制,並可在故障條件下提供保護。


系統設計人員使用整合的負載開關,如安森美半導體的NCP455xx系列,可獲得這些好處,且增加的系統器件數量盡可能少。高性能器件提供緊湊的方案,比分立式方案減少約60%的PCB佔用空間。


寬能隙技術

可能對伺服器電源系統的尺寸、可靠性、能效和運行成本產生積極影響的最重大的進展是邁向基於寬能隙(WBG)材料,如氮化鎵(GaN)和碳化矽(SiC)的半導體。WBG器件設計比矽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 : 寬能隙材料比較
圖2 : 寬能隙材料比較

例如,在伺服器電源應用中常見的5kW升壓轉換器中,用SiC開關代替Si開關可在80kHz左右的頻率下降低73%的損耗,從而顯著提高系統能效。這有助於使系統更小,因為需要的熱管理更少,還可使系統運行溫度更低,從而提高可靠性和實現更高的器件和系統密度。


儘管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成本節省了75%,這導致SiC設計比Si設計的總物料清單(BOM)成本低。更重要的是,在伺服器安裝的整個生命週期中,節省的能源成本總計可達數萬,甚至數百萬美元。



圖3 : SIC MOSFET的優勢
圖3 : SIC MOSFET的優勢

結語

對巨量和日增的資料儲存的需求正創造一個非常有競爭力的資料中心環境。占位空間和電能是兩個最大的成本,隨著營運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配置用於伺服器和存放裝置。


雖然在設計成功的伺服器電源配置時需要考慮許多方面,但高度整合的器件如整合的MOSFET、SPS、eFuse和負載管理等,使設計人員能夠創造高效、緊湊和可靠的精密電源配置。eFuse在維護正常執行時間方面發揮著關鍵作用,因為它們便於容易出現故障的設備,如HDD和風扇進行熱交換。


展望不久的將來,WBG材料可望在尺寸和性能實現進一步改變,並提高可靠性和能效,從而減少營運支出。 現在WBG方案的BOM成本可與類似的矽設計相當或更低,因此這些器件的採用有望加速。


(本文作者Ali Husain為安森美半導體公司策略暨行銷資深經理)


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