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作者：Oscar Persson，Flex Power Modules專家-研發工程師 效率優化的需求 維持數據中心的能源成本上限正變得越來越困難，因為流量呈指數級增長，電力成本處于歷史最高水平。雖然系統設計師們一直在努力獲得更多數據吞吐量且同時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中榨取更高的效率的壓力，以減少損耗、由此產生的成本和冷卻系統的開銷。功率轉換器的設計師們針對此需求已推出了越來越高效的產品，而且值得注意的是，盡管自2010年以來，數據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（圖1）[1]。 
圖 1：即使流量呈指數級增長，數據中心的能耗也一直保持平穩。來源：國際能源署 [1] 然而，功率轉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增長趨勢，并產生重大財務上的影響。 另一個可拉動的杠桿 雖然功率轉換器的效率數據集中在 95% 以上，以通常使用的同步整流器和諧振拓撲為例，還有另一個可拉動的杠桿——效率曲線的形狀與輸入和輸出電壓和負載電流的不同組合。這永遠不會是平緩的（在空載時為零），并且必須在I2R 損耗開始占主導地位的某個高負載時逐漸走低，因此轉換器設計師可以選擇在何處使其達到峰值，也許是在滿負載時？或者可能是假設的典型負載？問題在于，設計師不一定知道負載降額（如果系統架構師有內置的話）、可能施加的輸入電壓以及可能設置的輸出電壓（如果可調節）。此外，電源鏈中可能來自不同制造商的其他轉換器，幾乎肯定這些轉換器的峰值效率出現在不同的設定電壓和負載下。 當談到電力系統的效率時，目標可能是變動的（不同負載、輸入/輸出電壓），但目的是在任何一點上都能創造高效率。 為什么效率隨輸入/輸出電壓比而變化 典型電源轉換器的效率如何以及為何會發生變化，是值得考慮的。在數據中心直流配電系統中，有“總線”轉換器，將較高的可變電壓，可能是40-60V，轉換為穩定的12V，為非隔離“負載點”（PoL）轉換器供電，這些轉換器提供通常低于1V的最終電壓（）到端負載。 總線轉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，這意味著單個開關占空比變化從略低于 50% 到低于 25%，以考慮容差、電壓浪涌和“死區時間”。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，但開關損耗會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，開關邊緣上的任何電流/電壓重疊都會產生更高的功耗。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% 的占空比僅相當于輸入電流的 50% 導通時間，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轉換器可以具有極高轉換率 非隔離PoL轉換器（或穩壓器模塊）的效率隨負載和電壓轉換比的變化相似，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。在紋波電流設置得非常低的情況下，如果高壓側和低壓側開關具有相同的導通電阻，它們的聯合損耗則在占空比為 50% 時最大。然而，電感器的峰-峰紋波電流通常是允許處在高值的，可能是負載電流的 50%，以獲得更好的環路響應和適應更小尺寸。這會在高轉換比下增加相對更多的傳導損耗，從而使效率曲線“變平”。圖 2 就是一個例子。可以選擇具有較低導通電阻的低壓側開關管，會帶來某些好處。在圖 2 的示例中，如果低壓側 FET 為 50 毫歐而不是 100 毫歐，這會相對降低高占空比下的損耗，可以利用這一點再次塑造效率曲線。
圖 2：PoL開關在不同占空比下的示例紋波電流波形和損耗計算，對應于固定輸出電壓、高低輸入電壓下，5A 負載，50%和 10%占空比 多種因素影響效率曲線的形狀 其他因素也會影響總線和PoL轉換器在不同條件下的效率曲線形狀，例如反向恢復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雜。 這實際上意味著，轉換器制造商將會測量實際值并提供圖表，或提供諸如FLEX Power Designer的模擬工具。 在分布式直流總線系統中，輸入由外部因素決定，最終PoL輸出電壓是負載所需的電壓，但中間電壓（通常為 12V）可以變化，以找到特定負載條件下整體效率最大化的“最佳位置”。為了推進這一點，現代穩壓中間總線轉換器可以被動態編程，通常由 PMBus在一定范圍內進行。例如，FLEX Power Designer設定為使用FLEX Power Modules的BMR491總線轉換器以 12V 輸出電壓為BMR467/469 PoL供電，BMR491上的負載為1100W，PoL上的負載約為 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（圖 4）。如果將BMR491輸出電壓設置為 8V 以嘗試顯著提高效率，由于PoL顯示為恒定功率設備，輸出電流增加到137.5A，遠遠超過BMR491的最大連續額定值 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效率 如果我們現在以440W的較輕負載條件考慮，軟件計算出12V 時的效率為86.7%，10.3V 時為87.6%，8V時為88.45%，在最低電壓下可顯著節省1.72%。在8V和440W時，電流為55A，完全在BMR491額定值范圍內。顯然，在較輕的負載條件下，降低中間總線電壓是有利的，而且通過 PMBus控制，這可以動態完成，因為BMR491“知曉”其輸出電流并將其傳遞給外部控制器，該控制器可以回復指令來降低總線電壓。在更高級的系統中，即使是PoL/穩壓器模塊（VRM）也可以向外部控制器提供實時數據以進行進一步微調。 負載可能迅速變化 然而，隨著處理需求的變化，負載可能會快速上升和下降，所以如果總線電壓在輕負載下設置為低以提高效率，可能會有負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之前，會有一小段時間出現電壓較低且電流高于轉換器連續額定值的情況。BMR491可以應對這種情況，因為它具有峰值1850W或155A的浪涌負載額定值，因此我們的1100W滿載下8V 輸出電壓產生137.5A電流的示例在短時期內很容易實現。 行業中的所有高峰期都不盡相同。有些比其他的更短。為實用起見，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 每一個百分點的效率節省都是值得的，而且在了解功率轉化器的效率在變動負載和固定電壓下的詳細變化的知識后，可以找到系統的“最佳點”，使功率損失最小化。 FLEX Power Modules的產品的性能在FLEX Power Designer軟件中得到充分的表述，因此用戶可以“虛擬”探索設備的運行條件，然后在現實世界中，通過數字接口動態控制轉換器輸出電壓，以跟隨效率曲線中的高點。 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 |
