數字電源：降低數據中心的功率損耗分析

能效已經(jīng)成為決定電子元件、子系統和系統設計能否取得成功的主要因素之一。過(guò)去幾年，計算和通信設備制造商一直在內部推動(dòng)技術(shù)規格的發(fā)展和在外部向用戶(hù)宣傳這些技術(shù)規格，例如計算能力/瓦。而就在幾年前，這些公司強調的則是計算能力/歐元。

迅速向提高效率發(fā)展的基本原因如下：

(1)制定了歐盟行為準則、能源之星等全球節能技術(shù)規范，并且得到了市場(chǎng)認可;

(2)大型設施的電費極高，已經(jīng)成為一種顯性擁有成本;

(3)對現有設施可用功率的限制;

(4)隨著(zhù)設施規模的增加，成本也越來(lái)越高。

隨著(zhù)互聯(lián)網(wǎng)帶寬、互聯(lián)網(wǎng)用戶(hù)和互聯(lián)網(wǎng)器件的迅速增加，受影響最大的業(yè)務(wù)之一就是數據中心。在試圖增加服務(wù)器來(lái)處理大量工作的同時(shí)，數據中心還采取了各種方法來(lái)提高效率。

數據中心評級通?；谒鼈兊挠秒娦?，亦即電源使用效率(PUE)。雖然很多新建的數據中心能夠實(shí)現1.2的PUE，但是其它很多現有數據中心的PUE在3~7之間，意味著(zhù)每提供1W的功率用于計算，就需要消耗高達6W的功率用于冷卻、照明和輸電[3]。

看一看PUE之類(lèi)的評級以及給服務(wù)器CPU和存儲器子系統供電的方法，很明顯，盡可能節約服務(wù)器CPU的電能就可以節約整個(gè)數據中心的電能。

圖1，典型服務(wù)器輸電模型。

服務(wù)器輸電流程的簡(jiǎn)單模型如圖1所示。假設行業(yè)平均PUE為3.0，很顯然，服務(wù)器本身每節約1W功率，數據中心就可以再節約2W功率。節約服務(wù)器本身消耗的功率有很多方法，但是最重要的方法如下：

(1)降低服務(wù)器所用CPU和DDR存儲器的功率;

(2)提高為CPU和DDR存儲器供電的穩壓器(VR)解決方案的效率;

(3)減少提供給電路板其它部分的電能，包括提供大多數系統電壓軌的負載點(diǎn)轉換器。

服務(wù)器使用的現代CPU在功率優(yōu)化方法方面取得了極大的進(jìn)步，但是它仍然是服務(wù)器主板上功率最大的單負載，存儲器緊隨其后。數據中心仍利用高端CPU來(lái)支持市場(chǎng)所需的數據流量和計算能力。因此，該行業(yè)著(zhù)重提高VR解決方案的效率，以便降低服務(wù)器和整個(gè)數據中心的功率。

為了定量地了解VR效率提高的效果，建立了一個(gè)典型的雙處理器服務(wù)器模型，每個(gè)處理器占用DDR存儲器的2條通道。典型滿(mǎn)載服務(wù)器機架將用到高達9.5kW的電源，只是為CPU和DDR存儲器(130W CPU × 2 = 260W + 60W DDR存儲器組× 4 = 240W × 19個(gè)滿(mǎn)載機架內的2U服務(wù)器)供電。在很多現有系統中，VR解決方案(將服務(wù)器的12V電壓轉換為CPU電壓或DDR電壓)的效率估計為85% [2]。在這種情況和3.0的PUE下，由于VR效率低下而導致每個(gè)機架浪費5.0kW的功率。

該模型中VR解決方案效率的提高與節約的電能的關(guān)系如圖2所示。由此可以看出，在該模型中，VR效率每提高1%，就可以節約近400W的電能。

圖3，在高效率下，多相VR解決方案能夠提供大電流。

在低電壓下為服務(wù)器CPU或DDR存儲器組提供如此高的電流水平需要多相解決方案，如圖3所示。很多代服務(wù)器都采用了多相解決方案，但是數字控制和電源管理器件采用的新解決方案能夠提供當今新型服務(wù)器所需的高效率。與85%的平均效率相比，新解決方案可以實(shí)現93%或更高的最高效率和高于90%的滿(mǎn)載效率[4]。從圖2可以看出，單單通過(guò)實(shí)現該解決方案，每個(gè)機架就能夠節約1kW以上的電能。

圖4，IR利用IR3550 PowIRstage和CHiL數字控制實(shí)現的多相解決方案的多相效率。

如圖4所示，IR解決方案利用動(dòng)態(tài)相位控制和可變柵極驅動(dòng)的數字電源技術(shù)組合以及高效率PowIRstage解決方案IR3550，極大地提高了效率。

動(dòng)態(tài)相位控制是數字電源控制IC的一種功能，能夠精確測量負載電流，并利用用戶(hù)定義的閾值打開(kāi)或關(guān)閉1個(gè)或多個(gè)相位以實(shí)現效率最大化。有4個(gè)相位，在電流較低的情況下，如果只需要1個(gè)相位，就會(huì )浪費剩余3個(gè)相位的開(kāi)關(guān)損耗。關(guān)閉相位就可以提高效率。同樣，隨著(zhù)電流的增加，打開(kāi)其他相位。這種技術(shù)通常被稱(chēng)為切相，但是動(dòng)態(tài)相位控制實(shí)際上要復雜得多。通過(guò)測量平均負載電流和切相，IR在切相過(guò)程中實(shí)現了更高的效率。然而，服務(wù)器內的CPU可以非?？焖俚靥岣唠娏?，通常超過(guò)100A。如果控制器采用了相同的平均技術(shù)來(lái)增加相位，那么系統極有可能出現故障，因為1個(gè)相位可能負載100A以上的電流。并且，為了保證控制環(huán)路的穩定性，無(wú)論有多少相位，都會(huì )自動(dòng)穩定內部數字控制環(huán)路，而這正是以前的模擬技術(shù)所無(wú)法實(shí)現的。

圖5 ，柵極驅動(dòng)的數值(VGD)改變時(shí)，RDSon就會(huì )變化，但是開(kāi)關(guān)損耗降低。

可變柵極驅動(dòng)的效果如圖5所示。如果任意給定相位內的電流很低，則可以降低柵極驅動(dòng)電壓以便降低該相位的柵極驅動(dòng)損耗。代價(jià)是RDS(on)值稍微增加，因此該相位的導通損耗提高。然而，如果為所選MOSFET選擇了合適的數值，則可以降低總功率損耗。如果相電流很高，就會(huì )提高柵極驅動(dòng)電壓，以便降低RDS(on)和導通損耗。IR的CHIL?數字控制技術(shù)讓我們能夠針對MOSFET、相位數量和每個(gè)相位的電流水平來(lái)優(yōu)化這些參數，從而利用服務(wù)器VR解決方案實(shí)現最大效率增益。