通过连接器设计迎接电源管理上的挑战

日期:2019-10-22

 
尽管对电源的要求一直在稳步提升,解决空间和发热的问题对于现代的连接器设计来说,重要性与日俱增。
 
作者:Ken Stead,莫仕电源产品总监
 
今天,全球每分钟的网络交易量近 9000 万笔,也就是每秒钟交易 150 万次。全部的电子邮件、应用下载、流视频、社交媒体交互、零售购买等等,都是通过一个全球性的数据中心网络来实现的。在交换机、路由器及冷却设备所构成的网络的支持下,这些数据中心可以容纳多达 1 万台的服务器 – 而这一切都要依靠越来越多的电力才能良好运行。
据预计,在美国每五年数据中心的耗电量就会翻一番,这样,对于那些支付电费的数据中心业主、必须根据需要提供电力的电气公用事业部门,以及关心着大规模发电所产生的广泛影响的政府官员们来说,电力的消耗速度正在越来越多的吸引着他们的注意。
向数据中心输送电力的网络,同时也在向家庭和商业供电;然而,尽管美国的家庭使用的一般是 220 伏的电力,数据中心却必须采用数千伏的电压才能满足处理器运行在电力上的巨大需求,这些处理器在计算能力上处于核心地位,推动着互联网的运作。
 
转换与分配
数据中心采用一种称为“电源单位效率”的方法来评估电源架构的效率,也称为 PUE。PUE 是将输送到数据中心的总功率除以输送到关键负载(服务器)的功率,而理想的 PUE 值为 1。举例来说,1.7 的 PUE 意味着,每向负载输送一瓦的功率,在配电和冷却上就要损失掉 0.7 瓦。据报道,2018 年对数据中心测得的 PUE 水平在 1.6 左右。
最重要的转换过程之一就发生在机架上。为了达到所需的计算能力,会需要数千台的服务器。除了服务器以外,还通过交换机来管理服务器之间、以及从服务器到外界的通信。
在大量的电力所输送到的机架上,容纳着 30 到 35 台的 1U 服务器,这些服务器正在逐步通过 3 千瓦的供电机组 (PSU) 来供电。PSU 通常位于机架的底部,可以将电力转换成电压水平各不相同的电源轨。以 208 伏直流电压进入到 PSU 的电力将转换为 3.3、5 和 12 伏的电源轨,从而满足服务器和交换机内部各种不同组件的需求,例如含处理器的母板、适配器卡和显卡、PCIe 和内存等等。
此外,机架中还会容纳提供冷却气流所需的数量众多的风扇。输送到服务器的很大一部分电力都会转换成热量。在电力从交流转换成直流、以及从直流转换成直流的过程中,作为转换过程中一个自然而然的组成部分,就会发生这种热损失。
 
空间上的挑战
对这种与日俱增的功率进行管理,在涉及到封装空间和热管理时,就会产生巨大的挑战。尽管对电源的需求一直在稳步提升,为电源以及背部的重要连接器分配的空间却并没有发生过变化。回到服务器部署的早期时候,服务器系统基础设施 (SSI) 要求使用 400 到 600 瓦的电源,而电源 I/O 则会使用四到六台叶片式电源,其中每个叶片的额定电流为 30 安,从而将所需的功率输送到服务器。时至今日,对于连接器企业的要求则是电源 I/O 在相同空间内承载的电流能够达到以前的三倍。
基准性的规范可能会需要六到八台叶片式电源,其中每个叶片能够承载 70 到 80 安的电流,并且温升(即 T-rise)不超过 30 度。在确定这类电源连接器的额定值时,对电流进行测量可以作为一种很直观的方式。然而,温升的测量则极其的复杂。连接器内部热电偶的位置之类的问题,会对温度的测量产生影响。PSU 中线路层含铜的印刷电路板、线路层的厚度以及体积上的设计,都会与温升有关。在热评估过程中,往往会观测到热量从印刷电路板传递到连接器,由于连接器的供应商并不希望使连接器起到散热片的作用,这就引起了一场关于适当的热平衡的讨论。
 
获得高密度
连接器的设计人员现在不得不去考虑各种具有创造性的解决方案,从而对热量和电流进行管理。尽管在连接器的额定值计算中不能将气流考虑在内,目前在外壳中经常会设计通风功能,以便耗散掉热量并防止过热。
 
基础的物理学知识告诉我们,为了承载更多的电流,需要的只不过是更多的铜材料。在铜合金领域取得的进步使得可以提高导电性,而这些进步并不会跟得上对更高电流密度的需求。同样,触点设计上的改进可以改善 PSU 接口和连接点之间经常发生的功率损耗的情况,这种连接点可能是互连系统的插入部分,有时候也会是印刷电路板的卡边缘,但是并不能依靠这些改进成果来显著的提高电流密度。
广大的客户目前正要求连接器的设计人员来减小电源触点之间的中线间距;然而,缩小间距会在印刷电路板的体积上以及连接器本身的内部造成相互发热的问题。
连接器在过去 40 年来主要围绕着提高密度而发展。但是,业界现在正在走向这样一个阶段,那就是必须考虑增加空间以提高功率,或者是对用于评估连接器性能和额定值的惯例进行检验。据认为,数据中心的电效率每提高 1%,就会节省数以百万美元计的成本。由于节省成本的潜力是如此之大,在数据中心的业主、电气公用事业的提供商以及政府官员之间,那场积极活跃的讨论当然还会继续进行一段时间。
 
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