管理溫度以提升功率密度

 

也許提高能源轉換器的效率以降低內部溫度和提高計算壽命/可靠性是值得的
，但這隻有在外殼和散熱係統保持不變的情況下才有效。過去的經驗法則告訴我們，溫度每升高10°C
，電子器件的壽命就會縮短一半，而根據可靠性手冊可知
，溫度升高10°C，半導體和電容器故障率將分別增加25%和50%左(zuo)右(you)。然(ran)而(er)，現(xian)代(dai)電(dian)子(zi)產(chan)品(pin)都(dou)非(fei)常(chang)可(ke)靠(kao)耐(nai)用(yong)，因(yin)而(er)隻(zhi)有(you)在(zai)很(hen)長(chang)的(de)使(shi)用(yong)壽(shou)命(ming)和(he)高(gao)度(du)可(ke)靠(kao)的(de)數(shu)字(zi)中(zhong)才(cai)會(hui)體(ti)現(xian)出(chu)這(zhe)樣(yang)的(de)百(bai)分(fen)比(bi)變(bian)化(hua)。例(li)如(ru)
，對(dui)於(yu)數(shu)據(ju)中(zhong)心(xin)
，電(dian)力(li)電(dian)子(zi)設(she)備(bei)冷(leng)卻(que)係(xi)統(tong)一(yi)直(zhi)被(bei)設(she)定(ding)為(wei)保(bao)持(chi)21°C左右的理想入口溫度，但英特爾和其他公司的研究表明，這一溫度可以提高，並且對係統可靠性影響不明顯。APC的一份報告中引用了美國采暖、製冷與空調工程師協會（ASHRAE）的預測，顯示在入口溫度升高20至32°C（68至90°F）時，整體設備故障率僅增加1.5倍（圖1）。數據中心的溫度每升高1攝氏度，相關的冷卻成本就會降低約7%，因此，減小機箱尺寸並允許包括電源在內的設備能在更高溫下運行，可以在釋放機架空間的同時真正節約成本。

 

 圖1：入口溫度與設備可靠性關係曲線（來源：ASHRAE）

 

另一個推動小型電源在更高溫下運行的因素是采用由SiC或GaN材料製成的WBG半導體。這些器件的額定工作溫度比矽類（特別是碳化矽）產品高得多
，其芯片可以承受高達幾百攝氏度的溫度。

 

功率密度指標的重要性

 

能neng源yuan轉zhuan換huan設she備bei供gong應ying商shang可ke能neng會hui為wei了le在zai非fei常chang特te定ding的de條tiao件jian下xia聲sheng稱cheng的de效xiao率lv而er相xiang互hu競jing爭zheng，但dan對dui最zui終zhong用yong戶hu來lai說shuo，重zhong要yao的de是shi其qi生sheng產chan效xiao率lv及ji盈ying利li能neng力li。通tong過guo消xiao耗hao更geng少shao的de能neng源yuan節jie省sheng幾ji美mei元yuan是shi一yi件jian好hao事shi，但dan通tong過guo增zeng加jia機ji櫃gui或huo機ji架jia中zhong的de設she備bei密mi度du以yi及ji提ti高gao每mei立li方fang英ying尺chi的de生sheng產chan率lv所suo獲huo得de的de收shou益yi可ke能neng更geng有you吸xi引yin力li。數shu據ju中zhong心xin和he製zhi造zao業ye的de建jian築zhu麵mian積ji有you一yi種zhong“美元密度”的說法，這是實現收入所必須達到的一項貨幣價值，以千美元/pingfangyingchiweidanwei，yincisuoxiaodianzishebeideguimo，yitigonggenggaodeshengchankongjian
，cainenghuodezhenzhengdeshouyi。ruguozheyiweizhezaixuyaokuozhanshibuzaijixucaigouwanzhengdeewaijigui，namecongduanqihechangqilaikandoujiangjieshenggengduodechengben。

 

圖2：工廠車間的美元價值

 

通過相關的能源轉換器實現更高的電子密度，正促使係統架構師將“功率密度”shiweiyigeyuelaiyuezhongyaodezhibiao。raner，yuduandaoduandianqixiaolvbutong
，wanzhengxitongdegonglvmidufeichangnanyibijiao，yinweixuyaokaolvdeyinsutaiduo。biru，zaidianxinggongyejiguizhong，kenengyoukaiguanshebei、連接器、安裝在機箱上的電磁幹擾（EMI）濾波器
、產生中間電壓的AC/DC轉換器
、大電流母線、負載處的DC/DC轉換器、fengshanjiqizishendedianyuanheanzhuangyingjian，shenzhihaibaokuokongtiaojizu。zaikongzhiguizhong
，fuzaikenengshiwaibude

，lirudiandongji。zaizhezhongqingkuangxia，nengyuanzhuanhuanshebeidetijizhanzhenggekongjiandehendayibufen，renhejieshengxialaidekongjiandoukeyongyuanzhuanggengduodekongzhidianzishebei。buguo，yinweitianjiashebeihuixiaohaogengduodegonglv，suoyishouyiyehuijianshao。kongzhiguihaikenengshoudaoyaoqiushiyongbiaozhunhuayingjian（如用於設備安裝的DIN導軌）帶來的限製，同時供應商推出的產品越來越窄，而輸入/輸出連接器尺寸的可用性也往往定義了最低要求。30W AC/DC的寬度現在隻有21mm左右，而480W部件的尺寸可以達到48mm寬x124mm高。機櫃內的冷卻係統（如果有）kenengzhishiyourukouwendubuquedingdefengshanzucheng，yincinengyuanzhuanhuanqideedingzhiwangwangzhinengzhenduizaimeiyoudipansanredegaowenqiliuzhongyunxingdeqiantitiaojianlaiqueding。zheshidenengyuanzhuanhuanmidudezhixiangduijiaodi，mei25立方毫米約為10到20瓦。

 

數據中心電源轉換器由負載引起的發熱問題

 

在數據中心，電源供應的體係結構對功率密度有著很大的影響。最新的趨勢是采用48V背板總線，每個刀片服務器都帶有負載點（POL）轉換器，可將電壓降低到IC級，通常低於1V。單獨來看，POL的功率密度可以達到每平方厘米15kW以上，但需要大量的散熱或氣體流通。48V總線可以采用機架式AC/DC轉換器
，但功率密度可能隻有每平方厘米310W左右。或者，可從外部中央電源提供380V直流電，並在機架中轉換為48V。采用直流電時，沒有交流整流和功率因數校正電路的損耗，因此非常高效，並且具有每平方厘米15千瓦以上的高功率密度（冷卻足夠的情況下）。另一個優勢是，與每個機架中的AC/DC不同
，這種方案可以集中儲存用於應對功率損耗或斷電的電力，而機架中的AC/DC需要配備大型的內部儲能電容器，占用了寶貴的空間。

 

與工業製造機櫃不同

，數據中心的負載是刀片服務器本身，因此每個機架內部的功率損耗都可能超過10kW。zhejiuyaoqiutongguoyangekongzhidegaosuqiliuhejiaodiderukouwendujinxingzhudonglengque。duiyunengyuanzhuanhuanqieryan
，zheshigehaoxiaoxi
，yinweinengyuanzhuanhuanqidexiaolvhengao，qigonglvsunhaozhizhanzhenggefuwuqideyixiaobufen。zheyangjiukeyizaijihumeiyouwaibusanredeqingkuangxiashiyongPOL和總線轉換器
，從而保持較高的整體功率密度。實際上，這裏的一大主要考慮因素就是使刀片服務器產生的熱量遠離能源轉換器。

 

WBG技術帶來更高的功率密度

 

能(neng)源(yuan)轉(zhuan)換(huan)器(qi)設(she)計(ji)人(ren)員(yuan)可(ke)以(yi)選(xuan)擇(ze)通(tong)過(guo)降(jiang)低(di)開(kai)關(guan)速(su)度(du)來(lai)提(ti)高(gao)效(xiao)率(lv)，但(dan)這(zhe)會(hui)導(dao)致(zhi)無(wu)源(yuan)元(yuan)件(jian)以(yi)及(ji)殼(ke)體(ti)尺(chi)寸(cun)變(bian)大(da)。複(fu)雜(za)的(de)諧(xie)振(zhen)變(bian)換(huan)器(qi)拓(tuo)撲(pu)結(jie)構(gou)可(ke)以(yi)實(shi)現(xian)高(gao)頻(pin)
、低損耗運行
，但是SiC和GaN又憑借其高速

、低損耗的特性再次改變了遊戲規則。它們能夠在更高的溫度下可靠地工作
，進一步減小轉換器封裝尺寸
，將功率密度值推向新高。

 

結論：為價值而設計

 

在(zai)提(ti)高(gao)功(gong)率(lv)密(mi)度(du)和(he)提(ti)高(gao)功(gong)率(lv)效(xiao)率(lv)之(zhi)間(jian)適(shi)當(dang)進(jin)行(xing)成(cheng)本(ben)權(quan)衡(heng)

，可(ke)確(que)保(bao)設(she)計(ji)師(shi)為(wei)客(ke)戶(hu)提(ti)供(gong)超(chao)高(gao)價(jia)值(zhi)的(de)設(she)計(ji)。除(chu)非(fei)能(neng)縮(suo)小(xiao)產(chan)品(pin)尺(chi)寸(cun)為(wei)直(zhi)接(jie)增(zeng)加(jia)利(li)潤(run)的(de)設(she)備(bei)留(liu)出(chu)空(kong)間(jian)
，否(fou)則(ze)一(yi)味(wei)的(de)追(zhui)求(qiu)提(ti)高(gao)能(neng)源(yuan)轉(zhuan)換(huan)效(xiao)率(lv)可(ke)能(neng)會(hui)成(cheng)為(wei)一(yi)場(chang)收(shou)益(yi)遞(di)減(jian)的(de)遊(you)戲(xi)。功(gong)率(lv)密(mi)度(du)是(shi)一(yi)個(ge)特(te)別(bie)有(you)用(yong)的(de)轉(zhuan)換(huan)器(qi)指(zhi)標(biao)
，但(dan)在(zai)比(bi)較(jiao)時(shi)應(ying)非(fei)常(chang)仔(zai)細(xi)以(yi)將(jiang)係(xi)統(tong)中(zhong)的(de)所(suo)有(you)元(yuan)素(su)都(dou)包(bao)括(kuo)在(zai)內(nei)，並(bing)且(qie)需(xu)注(zhu)意(yi)製(zhi)造(zao)業(ye)機(ji)櫃(gui)和(he)數(shu)據(ju)中(zhong)心(xin)服(fu)務(wu)器(qi)機(ji)架(jia)之(zhi)間(jian)會(hui)有(you)很(hen)大(da)差(cha)異(yi)。當(dang)你(ni)為(wei)價(jia)值(zhi)而(er)設(she)計(ji)時(shi)，需(xu)多(duo)方(fang)權(quan)衡(heng)作(zuo)出(chu)明(ming)智(zhi)的(de)選(xuan)擇(ze)。

 

作者簡介

 

 

Robert Huntley是一位具有HND資格認證的工程師和技術作家。他擁有電信、導航係統和嵌入式應用工程等專業背景，代表貿澤電子撰寫了各種技術和實踐文章。

本文轉載自貿澤電子。

 

 

推薦閱讀：