尽管工作量增加了近十倍，但数据中心使用的能源几乎不比2010年多，这是电力体系结构设计师的一个证明
作者：Gary Edmonds，系统工程总监，Flex Power Module

数据中心能效的衡量标准是“电力使用效率”或PUE，最好的“超规模”安装在IT设备使用的每千瓦电力中，冷却、分配和功率转换的损耗约为1.1瓦，即100瓦。随着最佳实践逐渐渗透到较小的数据中心，潜在的总体收益将被耗尽，容量的进一步需求将开始反映在能源需求的比例增长上，除非能够实现更好的PUE。此外，随着物联网和人工智能显著增加计算需求，变化的速度也在加快。
因此，出于经济和环境两方面的原因，设计师们感到了进一步减少损失的压力，而且有一些新技术显示出了希望，但值得回顾一下迄今为止取得的成就。
 
数据中心配电的演变
现代数据中心起源于电信交换设备，其中-48 V是标准电源，由铅酸电池支持的交流电源“整流器”产生。继电器直接从该电源运行，48 V电压沿线路输送至用户。随着电子产品的出现，交流电源被传送到服务器，每个服务器都有自己的交流/直流电源，通常产生12伏的电压，必要时进一步向下转换。这就带来了安全问题，每个电路板都需要加强绝缘系统，而高压交流电在机柜周围使用起来既不方便又昂贵。由于冗余通常需要双交流电源，布线激增（图1）。此外，备用电池必须在每个机架内复制，或作为中央UPS实现。


图1：早期的数据中心为机架中的每个机架使用分布式AC
 
个发展是集中产生12V电压，并在“集中电源架构”或CPA中围绕机柜将其传输至各个机架。许多端部负载直接从12V下转换到3.3或5V，逻辑相对简单。在这种低电压下，随着电流需求的增加，损耗变得不可接受，一个明显的变化是将每个机架的母线电压增加回到48 Vdc。通过在端负载处使用多个隔离的DC/DC转换器，实现了向不断降低的端负载电压的下转换。第一个“分布式电源体系结构”（DPA）是一个昂贵的解决方案，但是当需要多个轨道时，因此“混合”方案开始使用，一块板上有一个隔离的转换器，输出12 V，为几个非隔离的“负载点”或PoL DC/DC供电，以获得更低的电压。这成为了标准的“中间总线体系结构”（IBA），如今很常见。
 
努力提高效率
考虑到IBA的安排，功率转换器的设计人员利用了所有可用的技术来提高效率：二极管整流器被MOSFET取代，谐振拓扑用于更高的效率和功率密度，最新的宽带隙半导体用于低损耗。可以理解的是，如果负载点转换器可以具有较宽的输入范围，则由标称恒定的48 V供电的中间总线转换器可以不受调节，并以固定比率降低电压，通常为4:1，从而提供标称12 V输出。这使得总线转换器更简单、更小、效率更高。”混合式“转换器”也出现了，由Flex Power Module“HRR”技术是一种高达特定输入电压的比率转换器，然后限制和调节更高输入电压的输出。这限制了总线转换器的输出电压范围，因此可以设计以下PoL转换器以获得更好的效率，同时限制总线转换器所需的控制占空比范围，从而提高其效率，其设计为在标称输入电压和典型负载下达到峰值。Flex Power Modules PKU-D系列的变型具有HRR功能，图2显示了与固定比率（5:1）转换器相比的输出特性。所示的变型具有标称54 V输入。
 

图2：柔性电源模块HRR混合比率调节技术可视化
 
与可将输入电压瞬变和纹波直接传递到负载的固定比率类型相比，HRR技术还提供了改进的瞬态响应。
 
具有四个转换阶段的传统IBA
IBA方法至少需要四个级的功率转换：电源AC到功率因数校正的高压DC，隔离和下变频到48 V，48 V到隔离12 V，然后12 V到端负载电压。多个级中的每一个都不可避免地会有一些损失，因此不断地重新检查架构以寻找任何优化。一种可能性是在不隔离的情况下进行48 V到12 V的转换，这种转换仅出于功能原因而非安全原因。如果这在系统架构中是可以接受的，那么一个不受监管的、非隔离的开关电容转换器可以提供高于98%的效率，比如Flex Power Module的新型数字BMR310产品。这提供了超过1千瓦的峰值从基板冷却包，只有58.4 x 25 x 9.9毫米。该产品采用了一项专利技术：零电压开关，开关电容转换器（ZSC）。
然而，当需要总线转换器调节时，这之前会导致效率降低，但新一代非隔离48 V至12 V调节转换器接近98%的屏障，如Flex Power Modules的BMR350（图3）。该部件的峰值额定功率为1200 W，最多可并联三台机组。它有一个DOSA兼容的数字接口，用于控制、监测和保护，并有一个新颖的“事件数据记录器”或“黑匣子”功能，用于内部存储故障事件数据。底板冷却模块仅为58.4 x 36.8 x 12 mm。
 

图3：Flex power Modules 的稳压BMR350 IBA转换器效率>98%
 
 
从48V到终端电压的直接转换
另一个发展是引入了转换器，它可以执行从48 V到核心电压的“直接转换”，通过隔离降低到0.5 V，从而取代中间总线转换器和PoL的组合。与48V至12V至1V的方法相比，该技术产生了2-3%的宝贵增益。一个很好的例子是来自Flex Power Modules的BMR481/482系列部件，它可以从表面贴装封装中提供高达110 A的电流，仅30 x 12 x 14 mm。最多可并联五个较小的“卫星”模块，总容量超过600 A。与传统方法相比，不仅效率有所提高，而且电路板空间需求也显著减少。
 

 
图4：传统和“直接转换”安排的比较
 
PoL现在非常紧凑
如果采用带IBC的PoL转换器方法，可能是因为需要产生多个不同的端电压，或者无论如何都需要12 V轨，以电压调节器模块（VRM）形式的最新PoL设计已经变得非常紧凑。例如，Flex Power Modules的BMR510占地面积小于1 cm²，但在4.5-16 V宽输入范围内可提供高达140 A的峰值。这些带有顶部冷却的LGA部件是PoL转换器的功率级，控制器设计在用户的主板上，通常安装在PCB的背面。这种安排为功率密集型应用（如人工智能）提供了空间的最佳利用。
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