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數據，無論是在我們的個人生活中還是在我們工作的時候。此外，聯接數十億設備並不斷增長的物聯網(IoT)正在創建數據，完全無需人類幫助。隨著移動技術發展到第五代(5G)
，將有能力創建更多的數據並以比以往任何時候都更快的速度運行，從而為數據增長的趨勢提供更大的動力。

 

所有這些數據都需要存儲在某處，以進行處理和保存記錄。我們日漸轉向“雲”以保護這重要信息。但是，“雲”並bing不bu是shi個ge虛xu無wu的de地di方fang，它ta以yi巨ju大da的de數shu據ju中zhong心xin的de形xing式shi牢lao固gu地di紮zha根gen，這zhe些xie數shu據ju中zhong心xin的de規gui模mo和he數shu量liang正zheng在zai迅xun速su增zeng長chang，以yi應ying對dui對dui額e外wai存cun儲chu容rong量liang不bu斷duan增zeng長chang的de需xu求qiu。

 

毫不奇怪，數據中心需要大量的電力才能運行。目前，據估計，它們消耗了美國國內約3%的電力，盡管這一比例預計在未來20年內將上升到15%。每年出貨的服務器超過一千萬台，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)、人工智能(AI) 訓練和IoT等新興應用日益增長的需求。

 

電(dian)源(yuan)能(neng)效(xiao)和(he)可(ke)靠(kao)性(xing)可(ke)能(neng)是(shi)數(shu)據(ju)中(zhong)心(xin)行(xing)業(ye)最(zui)重(zhong)要(yao)的(de)議(yi)題(ti)，因(yin)為(wei)物(wu)理(li)空(kong)間(jian)非(fei)常(chang)寶(bao)貴(gui)，電(dian)能(neng)成(cheng)本(ben)不(bu)斷(duan)上(shang)漲(zhang)，而(er)係(xi)統(tong)可(ke)靠(kao)性(xing)至(zhi)關(guan)重(zhong)要(yao)。隨(sui)著(zhe)能(neng)效(xiao)的(de)提(ti)高(gao)
，工(gong)作(zuo)溫(wen)度(du)下(xia)降(jiang)，這(zhe)本(ben)身(shen)就(jiu)提(ti)高(gao)了(le)可(ke)靠(kao)性(xing)。這(zhe)也(ye)使(shi)電(dian)源(yuan)方(fang)案(an)更(geng)緊(jin)湊(cou)，從(cong)而(er)節(jie)省(sheng)空(kong)間(jian)，或(huo)支(zhi)持(chi)可(ke)用(yong)空(kong)間(jian)納(na)入(ru)更(geng)多(duo)的(de)計(ji)算(suan)能(neng)力(li)和(he)存(cun)儲(chu)容(rong)量(liang)。

 

盡jin管guan進jin行xing了le可ke靠kao性xing設she計ji，但dan在zai數shu據ju中zhong心xin的de使shi用yong壽shou命ming期qi間jian，具ju有you活huo動dong部bu件jian的de組zu件jian如ru磁ci盤pan驅qu動dong器qi和he風feng扇shan仍reng會hui磨mo損sun並bing且qie可ke能neng會hui發fa生sheng故gu障zhang。因yin此ci，必bi須xu將jiang電dian源yuan係xi統tong設she計ji為wei允yun許xu對dui這zhe些xie器qi件jian進jin行xing熱re插cha拔ba、交換

，以便維修和升級不會導致係統停機。

 

技術提供方案解決電源挑戰

 

為應對數據中心帶來的挑戰，電源方案必須更小
、更緊湊、更高效和更精密。MOSFET技術有顯著改進
，支持將控製IC和MOSFET集成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的微小麵積內具有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。該集成器件還集成多種保護功能和可編程軟啟動。

 

功率密度水平更高的是智能電源級(SPS)方案如FDMF3170。SPS集成MOSFET與先進的驅動器IC及電流和溫度傳感器，支持高電流、高頻
、同步降壓DC-DC轉換器設計。

 

這全集成的方法使SPS在驅動器和MOSFET的動態性能、係統寄生降低和MOSFET導通電阻得以優化。FET對經過優化，可實現最高能效
，尤其是在對現代能效要求如80 plus非常嚴格的低占空比應用。

 

圖1：多相控製器和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。

 

在現代數據中心服務器係統中
，即使是不起眼的保險絲也進行了改造。重要的是

，在RAID係統
、磁盤驅動器電源和服務器I/O卡等應用中，玻璃盒中的熔絲已被基於半導體的智能電子熔絲(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製浪湧、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，它們還能由係統控製，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熱插拔控製器支持最高60A峰值電流（連續50A），基於0.8m ?6?8的內部MOSFET以實現高效運行。它們采用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係列器件

，常與熱插拔硬盤一起使用。它緩衝HDD，使shi其qi不bu處chu於yu可ke能neng損sun壞huai敏min感gan電dian路lu的de任ren何he過guo輸shu入ru電dian壓ya。內nei置zhi電dian壓ya鉗qian位wei限xian製zhi輸shu出chu電dian壓ya以yi保bao護hu負fu載zai
，同tong時shi保bao持chi連lian續xu供gong電dian，使shi驅qu動dong器qi可ke持chi續xu正zheng常chang工gong作zuo。

 

fuzaxitongrufuwuqitongchangxuyaoduiqidianyuanxitongjinxingzhinengkongzhi
，yiquebaozhengchangyunxingyijijinkenenggaodenengxiaoshuiping。fuzaiguanliqijianzhichiduidianyuanguijinxingfenduan，congershixianjingxikongzhi。yunxudianludeweishiyongbufenduandian，youzhuyuqidongshishangdianpaixuhejiangdiyunyingchengben。fanguolai，jiaodidegonglvshuipinghuidaozhixitongzhongdereliangjianshao，congertigaokekaoxinghezengjiashiyongshouming。daduoshufuzai開關還支持轉換速率控製，並可在故障條件下提供保護。

 

係統設計人員使用集成的負載開關如安森美半導體的NCP455xx係列
，可獲得這些好處，且增加的係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占用空間。

 

寬禁帶技術

 

可能對服務器電源係統的尺寸、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禁帶(WBG)材料如氮化镓(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：寬禁帶材料比較

 

例如，在服務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(de)損(sun)耗(hao)
，從(cong)而(er)顯(xian)著(zhu)提(ti)高(gao)係(xi)統(tong)能(neng)效(xiao)。這(zhe)有(you)助(zhu)於(yu)使(shi)係(xi)統(tong)更(geng)小(xiao)，因(yin)為(wei)需(xu)要(yao)的(de)熱(re)管(guan)理(li)更(geng)少(shao)
，還(hai)可(ke)使(shi)係(xi)統(tong)運(yun)行(xing)溫(wen)度(du)更(geng)低(di)，從(cong)而(er)提(ti)高(gao)可(ke)靠(kao)性(xing)和(he)實(shi)現(xian)更(geng)高(gao)的(de)器(qi)件(jian)和(he)係(xi)統(tong)密(mi)度(du)。

 

盡管SiC MOSFET比同等IGBT更貴，但在無源器件如電感和電容方麵的相關成本節省了75％，這導致SiC設計比Si設計的總物料單(BOM)成本低。更重要的是

，在服務器安裝的整個生命周期中
，節省的能源成本總計可達數萬甚至數百萬美元。

 

SiC MOSEFT：接近理想的開關

 

很好地結合低導通電阻(Rds-on)和低開關損耗，用於更高的電壓(>600 V)

 

圖3：SIC MOSFET的優勢

 

小結

 

duihailiangherizengdeshujucunchudexuqiuzhengchuangjianyigefeichangyoujingzhenglideshujuzhongxinhuanjing。zhanweikongjianhediannengshizuidalianggedechengben，suizheyunyingshangxunqiujiangdizhexiechengben
，tamenyaoqiugenggaoxiao
、更可靠和更小的電源方案用於服務器和存儲設備。

 

雖然在設計成功的服務器電源方案時需要考慮許多方麵，但高度集成的器件如集成的MOSFET、SPS、eFuse和負載管理等使設計人員能夠創建高效

、緊湊和可靠的精密電源方案。eFuse在維護正常運行時間方麵發揮著關鍵作用，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材料有望在尺寸和性能方麵實現進一步的改變，並提高可靠性和能效，從而減少運營支出。現在，WBG方案的BOM成本可與類似的矽設計相當或更低，因此這些器件的采用有望加速。

 

 

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