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。

 

jinguanjinxinglekekaoxingsheji，danzaishujuzhongxindeshiyongshoumingqijian
，juyouhuodongbujiandezujianrucipanqudongqihefengshanrenghuimosunbingqiekenenghuifashengguzhang。yinci，bixujiangdianyuanxitongshejiweiyunxuduizhexieqijianjinxingrechaba
、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)。

 

複(fu)雜(za)係(xi)統(tong)如(ru)服(fu)務(wu)器(qi)通(tong)常(chang)需(xu)要(yao)對(dui)其(qi)電(dian)源(yuan)係(xi)統(tong)進(jin)行(xing)智(zhi)能(neng)控(kong)製(zhi)，以(yi)確(que)保(bao)正(zheng)常(chang)運(yun)行(xing)以(yi)及(ji)盡(jin)可(ke)能(neng)高(gao)的(de)能(neng)效(xiao)水(shui)平(ping)。負(fu)載(zai)管(guan)理(li)器(qi)件(jian)支(zhi)持(chi)對(dui)電(dian)源(yuan)軌(gui)進(jin)行(xing)分(fen)段(duan)，從(cong)而(er)實(shi)現(xian)精(jing)細(xi)控(kong)製(zhi)。允(yun)許(xu)電(dian)路(lu)的(de)未(wei)使(shi)用(yong)部(bu)分(fen)斷(duan)電(dian)，有(you)助(zhu)於(yu)啟(qi)動(dong)時(shi)上(shang)電(dian)排(pai)序(xu)和(he)降(jiang)低(di)運(yun)營(ying)成(cheng)本(ben)。反(fan)過(guo)來(lai)
，較(jiao)低(di)的(de)功(gong)率(lv)水(shui)平(ping)會(hui)導(dao)致(zhi)係(xi)統(tong)中(zhong)的(de)熱(re)量(liang)減(jian)少(shao)，從(cong)而(er)提(ti)高(gao)可(ke)靠(kao)性(xing)和(he)增(zeng)加(jia)使(shi)用(yong)壽(shou)命(ming)。大(da)多(duo)數(shu)負(fu)載(zai)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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