可擴展電源系統滿足了可配置刀片服務器的需求

問題 / 挑戰

　　刀片服務器計算系統必須具有較高的可配置性，才能滿足多種應用的需求。因此，我們在購買和出售刀片服務器時，主要應考慮需要多大的處理能力，才能滿足具體任務的需求。然而，在刀片服務器所有組件中，有一點往往最容易被忽視，卻又至關重要，這就是刀片服務器的電源。從某種意義上甚至可以說，系統穩定性取決于電源的供電情況。

　　有一家客戶希望設計一款用于刀片服務器應用的 1.5kW 的高效隔離式電源轉換器模塊，TI 近期與該客戶開展了合作。該客戶在滿足供電需求方面主要依靠一家知名電源模塊供應商的技術。電源轉換器模塊具有許多優點，其中最重要的優點就在于便于實施。

　　不過，這種方法也有一些劣勢，特別對刀片服務器而言更是如此。服務器系統設計旨在實現在可用處理能力方面的較高的可配置性。

　　為了滿足多種可擴展的電源要求，可配置的服務器應優化匹配于兼容的電源系統。客戶最希望實現的功能就是要提高靈活性，更好地匹配于電源需求和處理器要求。

　　其次，由于具體的監控和電源管理要求，電源模塊本身并不構成完整的電源系統。因此，客戶最終強調，必須降低整體電源系統的成本。

　　客戶要將刀片服務器應用的定制電源轉換器設計外包出去的話，肯定會在一定程度上提高成本，因此該客戶果斷決定，要敢為人之不敢為——設計自己的定制電源。

解決方案：

　　傳統上，可配置的服務器通常采用業界標準的支架設計，能容納 42 個 1U（1.75 英寸）服務器。由于 AC 電源采用通過服務器支架的總線，因此每個橫向支架式 1U 服務器模塊都需要一個隔離式 AC 到 DC 電源，如果需要冗余或負載共享的話，則需要兩個隔離式 AC 到 DC 電源，此外還要有自己的冷卻源。

　　因此，全面配置的 42, 1U 支架式服務器最多可有 84 個不同的電源。

　　刀片服務器縱向安裝在 3U 支架單元內。每個刀片實際就是一個單板計算機，具備全套存儲器、處理器和網絡連接。我們將刀片插進通用的縱向機箱內，就能將眾多服務器放在較小的空間內，從而相對于橫向支架式服務器而言提高了計算能力密度。單一的 PCI 業界標準支架中最多能安裝 250 個刀片。

　　與 1U 橫向支架式服務器不同，刀片服務器中的 DC 電源由一個或多個電源模塊組成，通過 PCI 箱連接到不同的刀片。分配 DC 電源時，AC 到 DC隔離只需通過中間總線轉換器出現一次。由于刀片本身不帶板上隔離電源或風扇，我們可將總線電源和制冷分配視為共享系統資源。刀片服務器電源模塊可實現并行配置，支持熱插拔，從而提高系統的靈活性和可擴展性。在刀片的最初開發階段，只具備單一的處理器，因此功耗問題并不是一個嚴重的問題。

　　不過，目前技術的發展趨勢則是在一個刀片系統中集成多達四個耗電不菲的處理器，這就大大提高了制冷要求。由于刀片本身功耗提高很多，因此我們必須不斷提高電源的效率。

　　由于我們的客戶專門從事高性能計算系統工作，而此前在電源設計方面經驗很少乃至完全空白，因此在設計專用的定制電源方面確實面臨著巨大的挑戰。TI 與客戶密切合作，首先了解客戶最直接的電源需求。1.5kW 的轉換器需要通過離線的功率因數校正 (PFC) 功能調節升壓轉換器工作。起初，我們考慮采用 UCC38500 配合 PFC/PWM 控制器工作，不過這種方法只能提供幾百瓦特的功率，因此最終沒有被采納。某種全橋電源拓撲版本實際上是唯一實用的選擇，為了保持絕對最高的效率，我們選擇了 UCC3895 相移全橋 (PSFB) PWM 控制器，并配合采用 UCC3817 PFC 升壓預調節器。

　　PSFB 控制技術與傳統的 PWM 全橋技術有兩點不同。首先，PSFB 采用了有意時延，在適當工作條件下，會出現零電壓交換 (ZVS)，從而為滿足客戶的高效率需求發揮重要作用。其次，每個一次橋接 MOSFET 的占空比都固定為 50%，這樣我們就不用調節脈沖寬度，而是控制相移（或相位重疊）即可。

　　在組件數量相當的情況下，PSFB 能實現 ZVS 功能，EMI 性能和整體性能優勢都要高于傳統的硬交換型全橋接技術。優化轉換器、提高效率，這取決于我們能否全面了解寄生電路元素的情況，如 MOSFET 結電容和變壓器泄漏電感等。

　　即便在非線性元素確定情況下，ZVS 的關鍵計時功能也必須精確調節，這樣才能全面實現轉換器的效率優勢。我們充分利用了 TI 在 ZVS 電源拓撲方面的技術優勢，避免了經歷高難度學習曲線的痛苦過程。在整個開發過程中，TI 提供了廣泛的設計支持，包括規范和設計審核、推薦有關組件，以及初期硬件調試支持等。在 9 個月的時間內，客戶就將首次內部定制設計的電源系統成功地投入生產。

不久之后，該客戶再次咨詢 TI，討論 200W DC 到 DC 轉換器的設計規范問題。由于該客戶在 1.5kW PSFB 設計方面大獲成功，因此自然考慮到采用縮放方法，以相同的方式來支持 200W 的版本。PSFB 無疑將滿足高效和低成本的要求，但它確實是最佳選擇嗎？支持有源鉗位變壓器重新設置的單端正向轉換器提供了許多與 PSFB 拓撲相同的優勢，而且功耗更低。在 PSFB 設計方案中需要數十乃至數百千瓦功率的情況下，有源鉗位正向技術實際上只需要約 400W 功率就足夠了。了解到性價比情況后，客戶同意基于 UCC2894 有源鉗位電流模式 PWM 控制器采用有源鉗位正向設計方案。

　　為了加快客戶的設計速度，TI 提供了參考設計和一款樣例轉換器，幫助客戶了解相關技術，全面掌握有源鉗位正向轉換器的原理。TI 還提供了定制設計的數學模型，可預測電源轉換器模塊的效率。效率模型非常有用，因為其有助于加速設計驗證進程，并研究分析不同設計組件和工作條件對效率的影響。在 TI 的設計支持下，該客戶在不到半年的時間里就完成了首款有源鉗位正向轉換器從概念到預生產的發展。

　　該客戶現在已經擁有了兩種最高效電源拓撲結構的設計經驗，具備了可擴展的電源解決方
案，能滿足不到 100W 乃至若干千瓦的不同功率需求。此外，該客戶還實際掌握了刀片服務器系統中定制設計高效電源轉換產品的所有相關知識，甚至開始探討能否專門抽出一部分內部設計資源用于開發刀片服務器應用的定制電源系統。

總結

　　一款具有 PFC 功能的 1.5 Kw 電源的設計采用了 UCC3817 PFC 預調節器和 UCC3895 高級相移 PWM 控制器。

　　利用 UCC 2894 電流模式有源鉗位控制器成功地設計出了一款 200W DC 到 DC 轉換器，從而實現了刀片服務器應用的低成本和高效率。

　　提供了參考設計和效率建模工具，以縮短設計周期。

　　現在客戶就擁有了兩款可擴展 ZVS 電源設計方案，能滿足不到 100W 乃至若干千瓦的不同刀片服務器應用的需求。