智能电源方案用于数据中心减小尺寸、增强可靠性并降低运营成本

作者：安森美半导体公司策略及营销高级经理Ali Husain

给云供电

身处社会，我们每天都在创建、使用和分享前所未有的数据，无论是在我们的个人生活中还是在我们工作的时候。此外，联接数十亿设备并不断增长的物联网(IoT)正在创建数据，完全无需人类帮助。随着移动技术发展到第五代(5G)，将有能力创建更多的数据并以比以往任何时候都更快的速度运行，从而为数据增长的趋势提供更大的动力。

所有这些数据都需要存储在某处，以进行处理和保存记录。我们日渐转向“云”以保护这重要信息。但是，“云”并不是个虚无的地方，它以巨大的数据中心的形式牢固地扎根，这些数据中心的规模和数量正在迅速增长，以应对对额外存储容量不断增长的需求。

毫不奇怪，数据中心需要大量的电力才能运行。目前，据估计，它们消耗了美国国内约3%的电力，尽管这一比例预计在未来20年内将上升到15%。每年出货的服务器超过一千万台，这一数字还在以每年约5%的速度增长，以满足包括虚拟实境(VR)/增强实境(AR)、人工智能(AI) 训练和IoT等新兴应用日益增长的需求。

电源能效和可靠性可能是数据中心行业最重要的议题，因为物理空间非常宝贵，电能成本不断上涨，而系统可靠性至关重要。随着能效的提高，工作温度下降，这本身就提高了可靠性。这也使电源方案更紧凑，从而节省空间，或支持可用空间纳入更多的计算能力和存储容量。

尽管进行了可靠性设计，但在数据中心的使用寿命期间，具有活动部件的组件如磁盘驱动器和风扇仍会磨损并且可能会发生故障。因此，必须将电源系统设计为允许对这些器件进行热插拔、交换，以便维修和升级不会导致系统停机。

技术提供方案解决电源挑战

为应对数据中心带来的挑战，电源方案必须更小、更紧凑、更高效和更精密。MOSFET技术有显著改进，支持将控制IC和MOSFET集成在一个非常高效和紧凑的封装中。

例如，安森美半导体的NCP3284 DC-DC转换器在5 mm x 6 mm的微小面积内具有30 A连续（45A脉冲）的能力，工作频率高达1MHz，可减少外部电感器和电容器的尺寸和重量。该集成器件还集成多种保护功能和可编程软启动。

功率密度水平更高的是智能电源级(SPS)方案如FDMF3170。SPS集成MOSFET与先进的驱动器IC及电流和温度传感器，支持高电流、高频、同步降压DC-DC转换器设计。

这全集成的方法使SPS在驱动器和MOSFET的动态性能、系统寄生降低和MOSFET导通电阻得以优化。FET对经过优化，可实现最高能效，尤其是在对现代能效要求如80 plus非常严格的低占空比应用。

图1：多相控制器和DrMOS电源级提供方案

高精度电流监控（IMON）可用于替代电感器DCR或电阻器检测方法，从而消除了通常与此类方法相关的损耗。

在现代数据中心服务器系统中，即使是不起眼的保险丝也进行了改造。重要的是，在RAID系统、磁盘驱动器电源和服务器I/O卡等应用中，玻璃盒中的熔丝已被基于半导体的智能电子熔丝(eFuse)取代。eFuse使用低导通电阻MOSFET，在正常运行期间和发生热插拔时保护外设。实际上，它们可用于可能发生电源故障或负载故障以及可能需要限制浪涌、冲击电流的任何应用。除了为器件、连接器和PCB走线提供保护之外，它们还能由系统控制，并且许多都可提供有用的遥测功能如监测温度和电流。

安森美半导体的NCP81295/6热插拔控制器支持最高60A峰值电流（连续50A），基于0.8m Ω的内部MOSFET以实现高效运行。它们采用5mm x 5mm 32引脚QFN封装，提供闩锁或自动重试版本，适合在高达+125°C的温度下使用。

另一个eFuse ——NIS5021是12V、12A系列器件，常与热插拔硬盘一起使用。它缓冲HDD，使其不处于可能损坏敏感电路的任何过输入电压。内置电压钳位限制输出电压以保护负载，同时保持连续供电，使驱动器可持续正常工作。

复杂系统如服务器通常需要对其电源系统进行智能控制，以确保正常运行以及尽可能高的能效水平。负载管理器件支持对电源轨进行分段，从而实现精细控制。允许电路的未使用部分断电，有助于启动时上电排序和降低运营成本。反过来，较低的功率水平会导致系统中的热量减少，从而提高可靠性和增加使用寿命。大多数负载开关还支持转换速率控制，并可在故障条件下提供保护。

系统设计人员使用集成的负载开关如安森美半导体的NCP455xx系列，可获得这些好处，且增加的系统器件数量尽可能少。高性能器件提供紧凑的方案，比分立式方案减少约60％的PCB占用空间。

宽禁带技术

可能对服务器电源系统的尺寸、可靠性、能效和运行成本产生积极影响的最重大的进展是迈向基于宽禁带(WBG)材料如氮化镓(GaN)和碳化硅(SiC)的半导体。WBG器件设计比硅基器件具有更高的能效，还能在更高的频率和更高的温度下工作。

图2：宽禁带材料比较

例如，在服务器电源应用中常见的5kW升压转换器中，用SiC开关代替Si开关可在80kHz左右的频率下降低73％的损耗，从而显著提高系统能效。这有助于使系统更小，因为需要的热管理更少，还可使系统运行温度更低，从而提高可靠性和实现更高的器件和系统密度。

尽管SiC MOSFET比同等IGBT更贵，但在无源器件如电感和电容方面的相关成本节省了75％，这导致SiC设计比Si设计的总物料单(BOM)成本低。更重要的是，在服务器安装的整个生命周期中，节省的能源成本总计可达数万甚至数百万美元。

SiC MOSEFT：接近理想的开关

很好地结合低导通电阻(Rds-on)和低开关损耗，用于更高的电压(>600 V)

图3：SIC MOSFET的优势

小结

对海量和日增的数据存储的需求正创建一个非常有竞争力的数据中心环境。占位空间和电能是最大两个的成本，随着运营商寻求降低这些成本，他们要求更高效、更可靠和更小的电源方案用于服务器和存储设备。

虽然在设计成功的服务器电源方案时需要考虑许多方面，但高度集成的器件如集成的MOSFET、SPS、eFuse和负载管理等使设计人员能够创建高效、紧凑和可靠的精密电源方案。eFuse在维护正常运行时间方面发挥着关键作用，因为它们便于容易出现故障的设备如HDD和风扇进行热交换。

展望不久的将来，WBG材料有望在尺寸和性能方面实现进一步的改变，并提高可靠性和能效，从而减少运营支出。现在，WBG方案的BOM成本可与类似的硅设计相当或更低，因此这些器件的采用有望加速。