数据中心电源架构

日期:2011-12-26

  作者:Maurizio Salato,应用工程部,VICOR公司

  电信局端数据中心的电源安排架构在迅速演变;许多不同的方法已被使用,的确,在一个设施中不止有一个方法。

  本文认为,电信局端的数据中心的嵌入式电源架构要从系统的角度来看。传统上,电源是一个简单的服务功能;设施内的每个主要单元(如数据中心)都有其电压轨数量的规定要求。如果有安全和保护要求——如果超过电压或电流限制,将视为故障条件——对这些条件的响应通常会是局部断路或关机,在大多数的情况下,简单的标志会表明存在问题。

  满足这些要求的硬件改变多年来很缓慢;矩形金属外壳或“砖”形的电源是一个熟悉的系统元件,即自载、自主电压输入、电压输出的设备。无论是自定义设计或标准范围,它们都放在一个可用空间内,甚至机柜或机架,但最小的机械和电气与主机系统的整合。

  近年来局端系统的设计电源方面出现了快速变化——计算或数据吞吐能力,以及提供所需的电力需要集成水平和功率密度。事实上,功率密度是最快进展参数之一,不论是测量电路板、机架、机柜或系统总水平,电源的主要挑战之一一直是适应和保持其增长步伐。紧密联系的高功率、高密度、高输入电压、更高的负载电流成为了的总体要求,以实现更高的效率。减少电源子系统的损耗,降低系统内散发的热量,从而减少冷却负担,提高可靠性,减少元件温度,协助改善设施环保认证有助于遏制不断上升的电费。

  许多电源架构的被迫变化可以追溯到微处理器及其他半导体器件的演变。连续几代器件可以工作在较低的电压水平,同时提供更大的电流;其提供的每瓦的处理能力在迅速增长,但在一般情况下,这并没有导致任何给定的卡或机架的功率降低。相反,吞吐量急剧上升,而功率密度在以较为温和的步伐增长。高电流和低电压迫使调节与负载点越来越紧密;另外,几十安培的电流通过任何物理上可行的PCB或布线结构路由,引起的电压下降可能是不可接受的,仅为1V甚至更低。

  如在低负载点电压水平和传统电信系统(通常)48V电源轨之间的差距,刺激了分层配电架构的演变。对于今天实施的大多数应用,中间总线结构(IBA)是首选电源结构。这种电源结构导致了独立的、被称为中间总线转换器(IBC)的半调节DC/DC转换器的发展。

  表1 :电源系统层次结构的主要功能

  固定比率总线转换器采用一个新的电源拓扑结构,称为正弦振幅转换器(SAC),可提供功率密度,减少噪声,并显著提高现有IBC产品的效率。电力系统设计师面临的挑战是提供小而成本效益和效率的解决方案,保持或最好超过系统电压趋势的步伐。从长远来看,传统电源结构不能提供所需的性能。 Vicor公司分比功率架构(FPA)和V•I芯片的实施,提供了一个革命性的新的和最佳的电源转换解决方案来解决所有这些挑战。用在IBC和V•I芯片的这些电源转换引擎背后的技术与设计师的能力有直接关系,可应对不断变化的电源需求。

  系统介绍

  系统方法分割显示了需要完成的几个功能,而每一个架构可提供不同的模块。表1总结了系统功能,这些功能有一些取舍需要考虑,例如:

  • DC降压比与效率

  • 负载电压与效率

  • 电池(数量和大小)与背板电压范围。

  • 母线截面、电流水平与损耗。

  典型数据中心运营所处的环境也在不断变化,趋势是转向采用高压DC基础设施分布,而不是标准AC线。

  中间总线结构(IBA)的主要特点是分配半调节42-50V电压(因此减少配电损耗);然后通过一个独立的非调节总线转换器,此电压约减少了4(或5)倍,而参考电压(中间总线)从正到负改变。这个中间9-12V总线可实现非隔离负载点转换器(niPOL),以提供最后降压和调节功能。

  分比功率架构(FPA)代表IBA的进一步演变:高效率、固定比例、隔离,但没有调节的转换器可用作负载点设备,直接从48V提供隔离和电流倍增;上游的非隔离器件可通过动态调整略高于或略低于48V的48V“分比母线”提供电压调节。这完全避免了中间总线的需要,因此,进一步提高了配电效率。

  图1:中间总线结构框图

  图2 :功率架构框图

  图3 :FPA 与高压DC 基础设施框图

  48V电信系统的最先进IBA为配置如图1所示。每个级完成两个主要功能,在图中列出。要注意,这个结构的一个方面是第一级(AC/DC电源输入模块,PEM)是一个高功率、高度优化的商用器件,它关注的是功率因数校正的通用输入电压线(通常从单相或三相线),并提供了一个隔离输出。同样,niPOL包括一个标准、现成的单相或多相同步降压转换器,它可以处理一个比较宽的输入范围,同时提供准确的负载调节。总线转换器是一个固定比例的电子变压器设备,用9.6V或12V(标称值)的中间总线连接48V背板。在总生命周期成本方面,所有三个级都取得了非常高的性能、优化的采购成本,以及超过90%的峰值效率。为了尽量减少中间总线损耗,IBC放在尽可能接近它供电的niPOL。

  图1 中的虚线显示的是各个模块,位于:通常独立系统的DC备用和AC/DC PEM,通过分布背板为整个机架供电。IBC和niPOL是分立或模块化器件,焊接在每个单元的主板。此外须注意的事项包括:

  • 较大的、独立的AC/DC转换器可以降低成本,实现更高的峰值效率。

  • IBC采用开放式、通孔器件,功率额定值从几百瓦到一千瓦不等;正因为如此,它们可以有效地放置在靠近一个或几个niPOL稳压器的地方。

  • niPOL稳压器是标准的同步降压转换器,针对每一个具体的负载。

  这种配置的主要缺点是机架级的模块一般都很大,这意味着增加了初始成本和更高的能源成本,因为它们没有运作在峰值效率。

  典型系统可行的FPA如图2所示。它仍然由三级功率转换组成;而自适应Cell PFM第一级在功能上等同于BA的AC/DC PEM模块,现在是由一个非隔离转换器实现PRM的负载调节功能。此转换器适用于36V至55V的输入行范围。

  VTM级通过与IBC相同的拓扑结构启动,并提供有效的电流倍增(由一个固定因素),并进行隔离。相比IBC,FPA提供了显著的系统优势:

  • 分比母线通常保持在40V以上,以减少损耗和主板上的导线截面要求。

  • 负载电压可调节的范围更广,可实现各种VTM变压器比率。

  • 只要喜欢IBC,PRM和VTM电源元件可直接焊接在主板PCB上。

  • PFM也是一个电源组件,可以在PCB上实现。

  在这种情况下,虚线显示的各个元件都在理想位置。很显然,FPA提供了每个单元内的整合电源,有可能避免机架级任何48V分布。

  鉴于DC备用系统的功率密度不断增加,需要单元级的模块集成,而不是在机架级。这种方法提供了许多优点;

  • 每个交换机或服务器单元完全自主,不依赖于基础设施,甚至只是在机架级。

  • 整个电源系统更加紧密,可以根据实际使用功率水平定制,因此,最大限度地提高转换效率和降低采购成本。

  • 低电压电平内部产生,并只限于靠近负载,最大限度地减少分配要求和损耗。在使用高电压DC电源时,FPA灵活性也很明显:在这种情况下,可以用高电压母线转换模块(BCM)直接取代自适应Cell PFM块,同一系统可有效地供电,如图3所示。

  图4:正弦振幅转换器拓扑结构和波形

  图5 :零电压开关降压- 升压转换器拓扑结构和波形

  转换器拓扑结构

  三个转换器拓扑结构有助于实现高效、PCB 贴装功率元件的IBC和FPA,这些包括正弦振幅转换器(SAC);零电压开关降压-升压型转换器(ZVS-BB);以及自适应Cell、双钳位零电压开关转换器(DC-ZVS)。

  正弦振幅转换器是一个基于变压器的串联谐振拓扑结构,工作在固定频率,等于初级侧电路的谐振频率,如图4所示。整个电源总成(初级和次级)被锁定在谐振频率,并在初级电流开关零交叉点开启和关闭,以消除晶体管开关损耗和降低噪声谐波。初级谐振电流是方波或部分正弦波形,而不是纯正弦波,因为它不依赖于闭环操作,但在其谐振电压不平衡,其动态性能是有效宽带,高达2/3开关频率。

  在次级的负载阶跃响应中,正弦振幅转换器响应初级谐振正弦电流增加的幅度。与此瞬态相关的动态行为只与传导路径的电阻元件和滤波电容器能量耗尽的时间常数有关。

  零电压开关降压-升压型转换器是一个采用非传统调制方案(图5)的传统降压升压拓扑结构。这是在连续模式下操作,大多数功率处理是在输入和输出之间直接连接电源总成电感(图5中的第2段)。正确的开关时序可确保所有转换发生在零电压时,从而消除了开关损耗。因此, 该转换器可以在几MHz轻松超过97%的效率。

  图6 :自适应单元、双钳位零电压开关变换器拓扑

  这种拓扑结构中的一个独特的功能是完全对称的输入和输出线。此器件作为系统调节用于同一时间的输入变化和负载调节。然而,在额定条件下,它可以进行补偿达到最小变化,因此,最大限度地提高了效率。

  双钳位零电压开关转换器(DCZVS)由两个具有相同的拓扑结构的单元组成——DC-ZVS——可动态配置,无论是串联或并联,可有效连接宽范围变化的输入电压。双钳位包括一个采用非传统调制和存储元件的标准隔离转换器,可保证在零电压或零电流开启所有开关。这使开关频率在兆赫范围内,实现95%以上的效率。

  结论

  电源转换技术实现了电源系统的进展,在板上有效地建立了功率元件的整合。这种转变改变了现行的系统架构,可充分利用功率密度和效率,并降低总拥有成本。

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