作者： BOB CANTRELL愛立信電源模塊高級應用工程師

在過去十年左右的時間里，全球數據中心消耗的能源急劇增加，從幾乎為零增加到全球電力供應的 2% 以上。此外，全球溫室氣體排放量約占全球 2%。今天有預測，數據中心的能源消耗將在未來十年增加兩倍，開始與中等規模經濟體的整個國家的電力消耗相媲美甚至超過。

冷卻問題對能源消耗的一個重要貢獻領域是為使用大型空調裝置和系統的設備提供必要的冷卻。目前有幾種方法可以減少該領域的消耗。第一個是許多主要數據中心提供商所追求的，是將最高環境溫度提高到略高于服務器和其他設備運行的通常可接受的限制，但不足以引入重大的可靠性問題。第二種方法是從平均氣溫明顯較低的氣候中受益，并將數據中心定位在世界較涼爽的地區，例如斯堪的納維亞/北歐國家：Facebook 等大公司已經在丹麥和瑞典建立設施。此外，這些國家，除其他外，越來越多地尋求可再生能源，包括基于水力發電的解決方案，以提供低碳電力供應。當然，這兩種方法可以一起使用以降低能耗。

當今的電源架構對數據中心能耗的第二個貢獻顯然是服務器、大容量存儲系統以及數據通信和網絡設備運行所需的電源。在這一領域，業界正在尋求新的和創新的現代電力技術，以減少現代數據中心的能源消耗。從歷史上看，至少可以追溯到 1980 年代，在電信和數據通信應用中，分布式電源架構一直占主導地位，其中交流線路電壓經過整流，通常提供 48 Vdc，通過單獨的板載和嚴格調節的點分配到服務器機柜-負載（PoL）轉換器。

然而，這種架構在過去十年左右隨著中間總線架構 (IBA) 的引入而進一步發展，其中 IBC（中間總線轉換器）從 48V 總線下變頻到 12V 的典型電壓電平. 中間總線的建立主要是為了節省多個隔離DC/DC轉換器的成本和體積。除了 IBC 之外，還有板載和非隔離式 PoL 轉換器，可將 12 Vdc 中間總線進一步降低到處理器、ASIC、FPGA、內存 IC 和其他邏輯設備等板級組件所需的電壓。根據為處理器或 FPGA 內核邏輯供電的需要，電壓通常可以低于 1 V。

兩個下變頻級的部署具有在為 PoL 轉換器供電的中間總線和 PoL 提供的負載電流之間提供最佳平衡的優勢，這對于最大限度地提高系統級的功率轉換效率很重要。選擇 12 Vdc 電壓電平是為了確保在網絡數據流量較高時提供足夠高的電壓以提供負載或電路板所需的所有功率，同時降低配電損耗。但是，這種方法可能會導致效率低下，尤其是在流量需求低的情況下。中間總線架構的概述如圖 1 所示。

圖 1：典型數據中心或數據通信設施中的電壓轉換階段。

然而，從交流線路到整個網絡的整體效率約為 85%，這意味著系統中高達 15% 的功率因此以熱量的形式被各種功率設備耗散掉。需要去除這些熱量以實現高系統可靠性，或者至少在明確定義的可接受范圍內。

趨勢行業中存在許多尋求最大化效率、降低功耗和最小化成本的趨勢。正在向基于軟件的高級架構發展，例如軟件定義網絡 (SDN) 和網絡功能虛擬化 (NFV)；越來越多地使用數字電源及其擴展是軟件定義電源架構的出現；直接轉換技術的重新出現，實際上已經存在了 35 年左右，將傳統的 48-Vdc 線路直接下轉換為處理器和其他邏輯 IC 所需的板級電壓。

解決其中的第一個問題：SDN 本質上是將控制平面與數據平面分離——或將軟件與硬件分離。應用軟件不一定需要在特定的網絡硬件上運行，但可能需要在數據中心的服務器上運行。此外，NFV 提供了顯著的規模經濟和標準化：可以在基于商用硬件的“虛擬機”上整合多種功能或應用程序。虛擬化當然可以為降低能耗做出貢獻，但板級的軟件控制也很關鍵。

數字電源第二個要素是數字電源。通常，傳統的模擬開關模式電源轉換器在最大負載之下達到峰值效率。例如，雖然在最大負載時效率僅略微降低，但在半負載或低需求時效率顯著降低。其原因主要是由于使用了固定值電容器，該電容器用于確保在廣泛的工作條件下穩定供電。缺點是缺乏靈活性，無法在潛在的負載范圍內提供高或均勻的效率。然而，數字電源提供的可能性可以克服這一限制。通過數字監控可以輕松快速地更改和優化數字控制回路。此外，使用數字電源轉換器需要更少的外部元件，

那些早期采用數字電源的人，包括那些建立數據中心設施的人，已經看到了數字電源增強靈活性的許多優勢。例如，Ericsson Power Designer 軟件的仿真能力可以快速確定每個電源軌上使用的電容器的優化數量，以確保在廣泛的瞬態范圍內保持穩定性，從而節省大量時間并顯著加快產品上市時間. 這些工具還可用于對給定硅片具有多個負載的電源軌進行跟蹤和排序。此外，輸出電壓可以即時更改，并具有監控電壓、電流和溫度的能力。

在基于數字電源的系統中，IBC 和 PoL 轉換器之間的通信通過 PMBus 進行，PMBus 是從 SMBus 發展而來的行業標準，定義了中央控制器和電源模塊之間的物理連接和數據交換協議。

軟件定義電源進一步擴展數字電源趨勢是重要的下一個演進步驟，即軟件定義電源架構 (SPDA)。這引入了對數字電源的實時適應性，并有可能將真正的節能和電源優化板級功能帶入高級網絡應用程序。在 SPDA 中，高級處理器能夠使用軟件命令控制來調整輸出電壓以提高處理器性能或在低負載需求時降低電壓。

SPDA 本質上是一種實現許多先進技術的方案，包括動態總線電壓 (DBV) 和自適應電壓縮放 (AVS) 等概念，以及其他概念，包括分段功率分配或相位擴展。作為 IBA 的演變，DBV 根據負載電流動態調整 IBC 的中間總線電壓，以提供更高的功率轉換效率。AVS 是一種在現代高性能微處理器中優化電源電壓和最小化能耗的技術。它使用實時閉環方法來調整輸出電壓，以優化單個處理器的性能。

直接轉換第三個趨勢是直接轉換，它可能為許多數據中心運營商提供顯著優勢。該原理涉及繞過 IBC 和 PoL 轉換器的使用，并部署一種新型高效電源模塊，可將數據通信應用中通常使用的 48V 總線電壓直接轉換為 PoL 板級電壓，該電壓可低于 1 V，但在單個功率級中（見圖2）。

圖 2：傳統的兩級 IBC + POL 轉換器與直接轉換解決方案。

最新的 IBC 通常提供 95–96% 的效率；PoL 轉換器通常可以提供 90% 以上。然而，綜合能量損失可以將整體效率降低到大約 86.4%，而單個轉換器可以為相同的給定負載提供 89% 或更高的效率。

如前所述，直接轉換概念并不是一個新概念，但直接轉換 DC/DC 模塊的尺寸減小和具有競爭力的價格正在使架構重新回到前沿。這種方法改變的最重要原因是由于現代數據中心不斷增加的功率要求和所需的 I 2降低而簡化了電流分配R 分配損失。將 12 V 高電流分配到當今數據中心中使用的一些前沿服務器機柜是令人望而卻步的，而且不切實際。但是，直接轉換架構可以在 48 V 而不是 12 V 下分配功率。為轉換器供電的總線僅承載在 12 V 下提供相同水平功率所需的電流的 25%，這也意味著減少銅母線和電纜的數量。

結論能源消耗是數據中心運營商面臨的主要問題。將需要新的和先進的電源架構和技術來提高系統效率并降低成本以及碳排放。除了實施先進的冷卻策略來處理散熱之外，重要的技術將包括硬件虛擬化、數字電源及其 SDPA 擴展，以及在許多潛在應用中的直接轉換架構的部署。

審核編輯 黃昊宇