可擴展電源系統滿(mǎn)足了可配置刀片服務(wù)器的需求

問(wèn)題 / 挑戰

　　刀片服務(wù)器計算系統必須具有較高的可配置性，才能滿(mǎn)足多種應用的需求。因此，我們在購買(mǎi)和出售刀片服務(wù)器時(shí)，主要應考慮需要多大的處理能力，才能滿(mǎn)足具體任務(wù)的需求。然而，在刀片服務(wù)器所有組件中，有一點(diǎn)往往最容易被忽視，卻又至關(guān)重要，這就是刀片服務(wù)器的電源。從某種意義上甚至可以說(shuō)，系統穩定性取決于電源的供電情況。

　　有一家客戶(hù)希望設計一款用于刀片服務(wù)器應用的 1.5kW 的高效隔離式電源轉換器模塊，TI 近期與該客戶(hù)開(kāi)展了合作。該客戶(hù)在滿(mǎn)足供電需求方面主要依靠一家知名電源模塊供應商的技術(shù)。電源轉換器模塊具有許多優(yōu)點(diǎn)，其中最重要的優(yōu)點(diǎn)就在于便于實(shí)施。

　　不過(guò)，這種方法也有一些劣勢，特別對刀片服務(wù)器而言更是如此。服務(wù)器系統設計旨在實(shí)現在可用處理能力方面的較高的可配置性。

　　為了滿(mǎn)足多種可擴展的電源要求，可配置的服務(wù)器應優(yōu)化匹配于兼容的電源系統?？蛻?hù)最希望實(shí)現的功能就是要提高靈活性，更好地匹配于電源需求和處理器要求。

　　其次，由于具體的監控和電源管理要求，電源模塊本身并不構成完整的電源系統。因此，客戶(hù)最終強調，必須降低整體電源系統的成本。

　　客戶(hù)要將刀片服務(wù)器應用的定制電源轉換器設計外包出去的話(huà)，肯定會(huì )在一定程度上提高成本，因此該客戶(hù)果斷決定，要敢為人之不敢為——設計自己的定制電源。

解決方案：

　　傳統上，可配置的服務(wù)器通常采用業(yè)界標準的支架設計，能容納 42 個(gè) 1U（1.75 英寸）服務(wù)器。由于 AC 電源采用通過(guò)服務(wù)器支架的總線(xiàn)，因此每個(gè)橫向支架式 1U 服務(wù)器模塊都需要一個(gè)隔離式 AC 到 DC 電源，如果需要冗余或負載共享的話(huà)，則需要兩個(gè)隔離式 AC 到 DC 電源，此外還要有自己的冷卻源。

　　因此，全面配置的 42, 1U 支架式服務(wù)器最多可有 84 個(gè)不同的電源。

　　刀片服務(wù)器縱向安裝在 3U 支架單元內。每個(gè)刀片實(shí)際就是一個(gè)單板計算機，具備全套存儲器、處理器和網(wǎng)絡(luò )連接。我們將刀片插進(jìn)通用的縱向機箱內，就能將眾多服務(wù)器放在較小的空間內，從而相對于橫向支架式服務(wù)器而言提高了計算能力密度。單一的 PCI 業(yè)界標準支架中最多能安裝 250 個(gè)刀片。

　　與 1U 橫向支架式服務(wù)器不同，刀片服務(wù)器中的 DC 電源由一個(gè)或多個(gè)電源模塊組成，通過(guò) PCI 箱連接到不同的刀片。分配 DC 電源時(shí)，AC 到 DC隔離只需通過(guò)中間總線(xiàn)轉換器出現一次。由于刀片本身不帶板上隔離電源或風(fēng)扇，我們可將總線(xiàn)電源和制冷分配視為共享系統資源。刀片服務(wù)器電源模塊可實(shí)現并行配置，支持熱插拔，從而提高系統的靈活性和可擴展性。在刀片的最初開(kāi)發(fā)階段，只具備單一的處理器，因此功耗問(wèn)題并不是一個(gè)嚴重的問(wèn)題。

　　不過(guò)，目前技術(shù)的發(fā)展趨勢則是在一個(gè)刀片系統中集成多達四個(gè)耗電不菲的處理器，這就大大提高了制冷要求。由于刀片本身功耗提高很多，因此我們必須不斷提高電源的效率。

　　由于我們的客戶(hù)專(zhuān)門(mén)從事高性能計算系統工作，而此前在電源設計方面經(jīng)驗很少乃至完全空白，因此在設計專(zhuān)用的定制電源方面確實(shí)面臨著(zhù)巨大的挑戰。TI 與客戶(hù)密切合作，首先了解客戶(hù)最直接的電源需求。1.5kW 的轉換器需要通過(guò)離線(xiàn)的功率因數校正 (PFC) 功能調節升壓轉換器工作。起初，我們考慮采用 UCC38500 配合 PFC/PWM 控制器工作，不過(guò)這種方法只能提供幾百瓦特的功率，因此最終沒(méi)有被采納。某種全橋電源拓撲版本實(shí)際上是唯一實(shí)用的選擇，為了保持絕對最高的效率，我們選擇了 UCC3895 相移全橋 (PSFB) PWM 控制器，并配合采用 UCC3817 PFC 升壓預調節器。

　　PSFB 控制技術(shù)與傳統的 PWM 全橋技術(shù)有兩點(diǎn)不同。首先，PSFB 采用了有意時(shí)延，在適當工作條件下，會(huì )出現零電壓交換 (ZVS)，從而為滿(mǎn)足客戶(hù)的高效率需求發(fā)揮重要作用。其次，每個(gè)一次橋接 MOSFET 的占空比都固定為 50%，這樣我們就不用調節脈沖寬度，而是控制相移（或相位重疊）即可。

　　在組件數量相當的情況下，PSFB 能實(shí)現 ZVS 功能，EMI 性能和整體性能優(yōu)勢都要高于傳統的硬交換型全橋接技術(shù)。優(yōu)化轉換器、提高效率，這取決于我們能否全面了解寄生電路元素的情況，如 MOSFET 結電容和變壓器泄漏電感等。

　　即便在非線(xiàn)性元素確定情況下，ZVS 的關(guān)鍵計時(shí)功能也必須精確調節，這樣才能全面實(shí)現轉換器的效率優(yōu)勢。我們充分利用了 TI 在 ZVS 電源拓撲方面的技術(shù)優(yōu)勢，避免了經(jīng)歷高難度學(xué)習曲線(xiàn)的痛苦過(guò)程。在整個(gè)開(kāi)發(fā)過(guò)程中，TI 提供了廣泛的設計支持，包括規范和設計審核、推薦有關(guān)組件，以及初期硬件調試支持等。在 9 個(gè)月的時(shí)間內，客戶(hù)就將首次內部定制設計的電源系統成功地投入生產(chǎn)。

不久之后，該客戶(hù)再次咨詢(xún) TI，討論 200W DC 到 DC 轉換器的設計規范問(wèn)題。由于該客戶(hù)在 1.5kW PSFB 設計方面大獲成功，因此自然考慮到采用縮放方法，以相同的方式來(lái)支持 200W 的版本。PSFB 無(wú)疑將滿(mǎn)足高效和低成本的要求，但它確實(shí)是最佳選擇嗎？支持有源鉗位變壓器重新設置的單端正向轉換器提供了許多與 PSFB 拓撲相同的優(yōu)勢，而且功耗更低。在 PSFB 設計方案中需要數十乃至數百千瓦功率的情況下，有源鉗位正向技術(shù)實(shí)際上只需要約 400W 功率就足夠了。了解到性?xún)r(jià)比情況后，客戶(hù)同意基于 UCC2894 有源鉗位電流模式 PWM 控制器采用有源鉗位正向設計方案。

　　為了加快客戶(hù)的設計速度，TI 提供了參考設計和一款樣例轉換器，幫助客戶(hù)了解相關(guān)技術(shù)，全面掌握有源鉗位正向轉換器的原理。TI 還提供了定制設計的數學(xué)模型，可預測電源轉換器模塊的效率。效率模型非常有用，因為其有助于加速設計驗證進(jìn)程，并研究分析不同設計組件和工作條件對效率的影響。在 TI 的設計支持下，該客戶(hù)在不到半年的時(shí)間里就完成了首款有源鉗位正向轉換器從概念到預生產(chǎn)的發(fā)展。

　　該客戶(hù)現在已經(jīng)擁有了兩種最高效電源拓撲結構的設計經(jīng)驗，具備了可擴展的電源解決方
案，能滿(mǎn)足不到 100W 乃至若干千瓦的不同功率需求。此外，該客戶(hù)還實(shí)際掌握了刀片服務(wù)器系統中定制設計高效電源轉換產(chǎn)品的所有相關(guān)知識，甚至開(kāi)始探討能否專(zhuān)門(mén)抽出一部分內部設計資源用于開(kāi)發(fā)刀片服務(wù)器應用的定制電源系統。

總結

　　一款具有 PFC 功能的 1.5 Kw 電源的設計采用了 UCC3817 PFC 預調節器和 UCC3895 高級相移 PWM 控制器。

　　利用 UCC 2894 電流模式有源鉗位控制器成功地設計出了一款 200W DC 到 DC 轉換器，從而實(shí)現了刀片服務(wù)器應用的低成本和高效率。

　　提供了參考設計和效率建模工具，以縮短設計周期。

　　現在客戶(hù)就擁有了兩款可擴展 ZVS 電源設計方案，能滿(mǎn)足不到 100W 乃至若干千瓦的不同刀片服務(wù)器應用的需求。