數字電源：降低數據中心的功率損耗分析

能效已經成為決定電子元件、子系統和系統設計能否取得成功的主要因素之一。過去幾年，計算和通信設備制造商一直在內部推動技術規格的發展和在外部向用戶宣傳這些技術規格，例如計算能力/瓦。而就在幾年前，這些公司強調的則是計算能力/歐元。

迅速向提高效率發展的基本原因如下：

(1)制定了歐盟行為準則、能源之星等全球節能技術規范，并且得到了市場認可;

(2)大型設施的電費極高，已經成為一種顯性擁有成本;

(3)對現有設施可用功率的限制;

(4)隨著設施規模的增加，成本也越來越高。

隨著互聯網帶寬、互聯網用戶和互聯網器件的迅速增加，受影響最大的業務之一就是數據中心。在試圖增加服務器來處理大量工作的同時，數據中心還采取了各種方法來提高效率。

數據中心評級通常基于它們的用電效率，亦即電源使用效率(PUE)。雖然很多新建的數據中心能夠實現1.2的PUE，但是其它很多現有數據中心的PUE在3~7之間，意味著每提供1W的功率用于計算，就需要消耗高達6W的功率用于冷卻、照明和輸電[3]。

看一看PUE之類的評級以及給服務器CPU和存儲器子系統供電的方法，很明顯，盡可能節約服務器CPU的電能就可以節約整個數據中心的電能。

圖1，典型服務器輸電模型。

服務器輸電流程的簡單模型如圖1所示。假設行業平均PUE為3.0，很顯然，服務器本身每節約1W功率，數據中心就可以再節約2W功率。節約服務器本身消耗的功率有很多方法，但是最重要的方法如下：

(1)降低服務器所用CPU和DDR存儲器的功率;

(2)提高為CPU和DDR存儲器供電的穩壓器(VR)解決方案的效率;

(3)減少提供給電路板其它部分的電能，包括提供大多數系統電壓軌的負載點轉換器。

服務器使用的現代CPU在功率優化方法方面取得了極大的進步，但是它仍然是服務器主板上功率最大的單負載，存儲器緊隨其后。數據中心仍利用高端CPU來支持市場所需的數據流量和計算能力。因此，該行業著重提高VR解決方案的效率，以便降低服務器和整個數據中心的功率。

為了定量地了解VR效率提高的效果，建立了一個典型的雙處理器服務器模型，每個處理器占用DDR存儲器的2條通道。典型滿載服務器機架將用到高達9.5kW的電源，只是為CPU和DDR存儲器(130W CPU × 2 = 260W + 60W DDR存儲器組× 4 = 240W × 19個滿載機架內的2U服務器)供電。在很多現有系統中，VR解決方案(將服務器的12V電壓轉換為CPU電壓或DDR電壓)的效率估計為85% [2]。在這種情況和3.0的PUE下，由于VR效率低下而導致每個機架浪費5.0kW的功率。

該模型中VR解決方案效率的提高與節約的電能的關系如圖2所示。由此可以看出，在該模型中，VR效率每提高1%，就可以節約近400W的電能。

圖3，在高效率下，多相VR解決方案能夠提供大電流。

在低電壓下為服務器CPU或DDR存儲器組提供如此高的電流水平需要多相解決方案，如圖3所示。很多代服務器都采用了多相解決方案，但是數字控制和電源管理器件采用的新解決方案能夠提供當今新型服務器所需的高效率。與85%的平均效率相比，新解決方案可以實現93%或更高的最高效率和高于90%的滿載效率[4]。從圖2可以看出，單單通過實現該解決方案，每個機架就能夠節約1kW以上的電能。

圖4，IR利用IR3550 PowIRstage和CHiL數字控制實現的多相解決方案的多相效率。

如圖4所示，IR解決方案利用動態相位控制和可變柵極驅動的數字電源技術組合以及高效率PowIRstage解決方案IR3550，極大地提高了效率。

動態相位控制是數字電源控制IC的一種功能，能夠精確測量負載電流，并利用用戶定義的閾值打開或關閉1個或多個相位以實現效率最大化。有4個相位，在電流較低的情況下，如果只需要1個相位，就會浪費剩余3個相位的開關損耗。關閉相位就可以提高效率。同樣，隨著電流的增加，打開其他相位。這種技術通常被稱為切相，但是動態相位控制實際上要復雜得多。通過測量平均負載電流和切相，IR在切相過程中實現了更高的效率。然而，服務器內的CPU可以非常快速地提高電流，通常超過100A。如果控制器采用了相同的平均技術來增加相位，那么系統極有可能出現故障，因為1個相位可能負載100A以上的電流。并且，為了保證控制環路的穩定性，無論有多少相位，都會自動穩定內部數字控制環路，而這正是以前的模擬技術所無法實現的。

圖5 ，柵極驅動的數值(VGD)改變時，RDSon就會變化，但是開關損耗降低。

可變柵極驅動的效果如圖5所示。如果任意給定相位內的電流很低，則可以降低柵極驅動電壓以便降低該相位的柵極驅動損耗。代價是RDS(on)值稍微增加，因此該相位的導通損耗提高。然而，如果為所選MOSFET選擇了合適的數值，則可以降低總功率損耗。如果相電流很高，就會提高柵極驅動電壓，以便降低RDS(on)和導通損耗。IR的CHIL?數字控制技術讓我們能夠針對MOSFET、相位數量和每個相位的電流水平來優化這些參數，從而利用服務器VR解決方案實現最大效率增益。