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作者：Oscar Persson，F(xiàn)lex Power Modules專家-研發(fā)工程師 效率優(yōu)化的需求 維持?jǐn)?shù)據(jù)中心的能源成本上限正變得越來越困難，因?yàn)榱髁砍手笖?shù)級增長，電力成本處于歷史最高水平。雖然系統(tǒng)設(shè)計(jì)師們一直在努力獲得更多數(shù)據(jù)吞吐量且同時(shí)不讓功耗按照比例增加，他們也同樣面臨著要從電力輸送系統(tǒng)中榨取更高的效率的壓力，以減少損耗、由此產(chǎn)生的成本和冷卻系統(tǒng)的開銷。功率轉(zhuǎn)換器的設(shè)計(jì)師們針對此需求已推出了越來越高效的產(chǎn)品，而且值得注意的是，盡管自2010年以來，數(shù)據(jù)中心工作量增加了約10倍，但直到2020年，能源的消耗一直較為平穩(wěn)（圖1）[1]。 
圖 1：即使流量呈指數(shù)級增長，數(shù)據(jù)中心的能耗也一直保持平穩(wěn)。來源：國際能源署 [1] 然而，功率轉(zhuǎn)換硬件效率的增量增益正變得越來越難以找尋，因此，能耗及其成本必定將開始跟隨流量的指數(shù)增長趨勢，并產(chǎn)生重大財(cái)務(wù)上的影響。 另一個(gè)可拉動(dòng)的杠桿 雖然功率轉(zhuǎn)換器的效率數(shù)據(jù)集中在 95% 以上，以通常使用的同步整流器和諧振拓?fù)錇槔�有另一個(gè)可拉動(dòng)的杠桿——效率曲線的形狀與輸入和輸出電壓和負(fù)載電流的不同組合。這永遠(yuǎn)不會(huì)是平緩的（在空載時(shí)為零），并且必須在I2R 損耗開始占主導(dǎo)地位的某個(gè)高負(fù)載時(shí)逐漸走低，因此轉(zhuǎn)換器設(shè)計(jì)師可以選擇在何處使其達(dá)到峰值，也許是在滿負(fù)載時(shí)？或者可能是假設(shè)的典型負(fù)載？問題在于，設(shè)計(jì)師不一定知道負(fù)載降額（如果系統(tǒng)架構(gòu)師有內(nèi)置的話）、可能施加的輸入電壓以及可能設(shè)置的輸出電壓（如果可調(diào)節(jié)）。此外，電源鏈中可能來自不同制造商的其他轉(zhuǎn)換器，幾乎肯定這些轉(zhuǎn)換器的峰值效率出現(xiàn)在不同的設(shè)定電壓和負(fù)載下。 當(dāng)談到電力系統(tǒng)的效率時(shí)，目標(biāo)可能是變動(dòng)的（不同負(fù)載、輸入/輸出電壓），但目的是在任何一點(diǎn)上都能創(chuàng)造高效率。 為什么效率隨輸入/輸出電壓比而變化 典型電源轉(zhuǎn)換器的效率如何以及為何會(huì)發(fā)生變化，是值得考慮的。在數(shù)據(jù)中心直流配電系統(tǒng)中，有“總線”轉(zhuǎn)換器，將較高的可變電壓，可能是40-60V，轉(zhuǎn)換為穩(wěn)定的12V，為非隔離“負(fù)載點(diǎn)”（PoL）轉(zhuǎn)換器供電，這些轉(zhuǎn)換器提供通常低于1V的最終電壓（）到端負(fù)載。 總線轉(zhuǎn)換器中的變壓器處理輸出的基本變化，但要處理較寬范圍的輸入變化，開關(guān)占空比必須以相同的比例變化。在通常使用的橋式電路中，這意味著單個(gè)開關(guān)占空比變化從略低于 50% 到低于 25%，以考慮容差、電壓浪涌和“死區(qū)時(shí)間”。在低輸入電壓和最大占空比下，平均電流和 RMS 電流很高，開關(guān)通道、磁性繞組和互連中的I2R損耗增加。在高輸入電壓和最小占空比下，平均電流低于低輸入電壓下的電流，具有較低的 RMS 值，但開關(guān)損耗會(huì)因電路和器件電容在較高電壓下的充放電而增加。此外，對于恒定功率，峰值電流在任何占空比下都是恒定的，因此在高輸入電壓下，開關(guān)邊緣上的任何電流/電壓重疊都會(huì)產(chǎn)生更高的功耗。輸入/輸出電容器的 ESR上的紋波電流和隨之而來的耗散在高輸入電壓下也最高，例如，兩條橋臂各自25% 的占空比僅相當(dāng)于輸入電流的 50% 導(dǎo)通時(shí)間，意味著比較高的電容器紋波電流。在低輸入電壓下，整體有效占空比接近 100% 或直流，紋波電流小，ESR 損耗更低。 PoL轉(zhuǎn)換器可以具有極高轉(zhuǎn)換率 非隔離PoL轉(zhuǎn)換器（或穩(wěn)壓器模塊）的效率隨負(fù)載和電壓轉(zhuǎn)換比的變化相似，除了通常更為極端的10:1電壓比的情況，，這個(gè)比率并不罕見，例如從 12V 到 1.2V 或10% 的工作占空比。在紋波電流設(shè)置得非常低的情況下，如果高壓側(cè)和低壓側(cè)開關(guān)具有相同的導(dǎo)通電阻，它們的聯(lián)合損耗則在占空比為 50% 時(shí)最大。然而，電感器的峰-峰紋波電流通常是允許處在高值的，可能是負(fù)載電流的 50%，以獲得更好的環(huán)路響應(yīng)和適應(yīng)更小尺寸。這會(huì)在高轉(zhuǎn)換比下增加相對更多的傳導(dǎo)損耗，從而使效率曲線“變平”。圖 2 就是一個(gè)例子。可以選擇具有較低導(dǎo)通電阻的低壓側(cè)開關(guān)管，會(huì)帶來某些好處。在圖 2 的示例中，如果低壓側(cè) FET 為 50 毫歐而不是 100 毫歐，這會(huì)相對降低高占空比下的損耗，可以利用這一點(diǎn)再次塑造效率曲線。
圖 2：PoL開關(guān)在不同占空比下的示例紋波電流波形和損耗計(jì)算，對應(yīng)于固定輸出電壓、高低輸入電壓下，5A 負(fù)載，50%和 10%占空比 多種因素影響效率曲線的形狀 其他因素也會(huì)影響總線和PoL轉(zhuǎn)換器在不同條件下的效率曲線形狀，例如反向恢復(fù)期間的磁損耗和體二極管損耗，因此確定峰值效率的條件很復(fù)雜。 這實(shí)際上意味著，轉(zhuǎn)換器制造商將會(huì)測量實(shí)際值并提供圖表，或提供諸如FLEX Power Designer的模擬工具。 在分布式直流總線系統(tǒng)中，輸入由外部因素決定，最終PoL輸出電壓是負(fù)載所需的電壓，但中間電壓（通常為 12V）可以變化，以找到特定負(fù)載條件下整體效率最大化的“最佳位置”。為了推進(jìn)這一點(diǎn)，現(xiàn)代穩(wěn)壓中間總線轉(zhuǎn)換器可以被動(dòng)態(tài)編程，通常由 PMBus在一定范圍內(nèi)進(jìn)行。例如，F(xiàn)LEX Power Designer設(shè)定為使用FLEX Power Modules的BMR491總線轉(zhuǎn)換器以 12V 輸出電壓為BMR467/469 PoL供電，BMR491上的負(fù)載為1100W，PoL上的負(fù)載約為 1000W。該軟件顯示整體效率為 88.25%。如果中間總線電壓降低到10.3V，效率變化為0.05%，可忽略不計(jì)（圖 4）。如果將BMR491輸出電壓設(shè)置為 8V 以嘗試顯著提高效率，由于PoL顯示為恒定功率設(shè)備，輸出電流增加到137.5A，遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過BMR491的最大連續(xù)額定值 108.3A。
圖 4：FLEX Power Designer 軟件的屏幕截圖，顯示所選總線電壓下的系統(tǒng)效率 如果我們現(xiàn)在以440W的較輕負(fù)載條件考慮，軟件計(jì)算出12V 時(shí)的效率為86.7%，10.3V 時(shí)為87.6%，8V時(shí)為88.45%，在最低電壓下可顯著節(jié)省1.72%。在8V和440W時(shí)，電流為55A，完全在BMR491額定值范圍內(nèi)。顯然，在較輕的負(fù)載條件下，降低中間總線電壓是有利的，而且通過 PMBus控制，這可以動(dòng)態(tài)完成，因?yàn)锽MR491“知曉”其輸出電流并將其傳遞給外部控制器，該控制器可以回復(fù)指令來降低總線電壓。在更高級的系統(tǒng)中，即使是PoL/穩(wěn)壓器模塊（VRM）也可以向外部控制器提供實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)以進(jìn)行進(jìn)一步微調(diào)。 負(fù)載可能迅速變化 然而，隨著處理需求的變化，負(fù)載可能會(huì)快速上升和下降，所以如果總線電壓在輕負(fù)載下設(shè)置為低以提高效率，可能會(huì)有負(fù)載突然增加到最大值的可能性。在BMR491及其控制器做出增大電壓的反應(yīng)之前，會(huì)有一小段時(shí)間出現(xiàn)電壓較低且電流高于轉(zhuǎn)換器連續(xù)額定值的情況。BMR491可以應(yīng)對這種情況，因?yàn)樗哂蟹逯?850W或155A的浪涌負(fù)載額定值，因此我們的1100W滿載下8V 輸出電壓產(chǎn)生137.5A電流的示例在短時(shí)期內(nèi)很容易實(shí)現(xiàn)。 行業(yè)中的所有高峰期都不盡相同。有些比其他的更短。為實(shí)用起見，建議使用>100毫秒的浪涌周期。更長的周期還可以降低對控制器速度的要求，并且可以減少PMBus流量。 總結(jié) 每一個(gè)百分點(diǎn)的效率節(jié)省都是值得的，而且在了解功率轉(zhuǎn)化器的效率在變動(dòng)負(fù)載和固定電壓下的詳細(xì)變化的知識(shí)后，可以找到系統(tǒng)的“最佳點(diǎn)”，使功率損失最小化。 FLEX Power Modules的產(chǎn)品的性能在FLEX Power Designer軟件中得到充分的表述，因此用戶可以“虛擬”探索設(shè)備的運(yùn)行條件，然后在現(xiàn)實(shí)世界中，通過數(shù)字接口動(dòng)態(tài)控制轉(zhuǎn)換器輸出電壓，以跟隨效率曲線中的高點(diǎn)。 引用 [1] IEA, Global trends in internet traffic, data centres workloads and data centre energy use, 2010-2020, IEA, Paris https://www.iea.org/data-and-sta ... nergy-use-2010-2020 [2] www.flexpowermodules.comm |
