数字电源：降低数据中心的功率损耗分析

能效已经成为决定电子元件、子系统和系统设计能否取得成功的主要因素之一。过去几年，计算和通信设备制造商一直在内部推动技术规格的发展和在外部向用户宣传这些技术规格，例如计算能力/瓦。而就在几年前，这些公司强调的则是计算能力/欧元。

迅速向提高效率发展的基本原因如下：

(1)制定了欧盟行为准则、能源之星等全球节能技术规范，并且得到了市场认可;

(2)大型设施的电费极高，已经成为一种显性拥有成本;

(3)对现有设施可用功率的限制;

(4)随着设施规模的增加，成本也越来越高。

随着互联网带宽、互联网用户和互联网器件的迅速增加，受影响最大的业务之一就是数据中心。在试图增加服务器来处理大量工作的同时，数据中心还采取了各种方法来提高效率。

数据中心评级通常基于它们的用电效率，亦即电源使用效率(PUE)。虽然很多新建的数据中心能够实现1.2的PUE，但是其它很多现有数据中心的PUE在3~7之间，意味着每提供1W的功率用于计算，就需要消耗高达6W的功率用于冷却、照明和输电[3]。

看一看PUE之类的评级以及给服务器CPU和存储器子系统供电的方法，很明显，尽可能节约服务器CPU的电能就可以节约整个数据中心的电能。

图1，典型服务器输电模型。

服务器输电流程的简单模型如图1所示。假设行业平均PUE为3.0，很显然，服务器本身每节约1W功率，数据中心就可以再节约2W功率。节约服务器本身消耗的功率有很多方法，但是最重要的方法如下：

(1)降低服务器所用CPU和DDR存储器的功率;

(2)提高为CPU和DDR存储器供电的稳压器(VR)解决方案的效率;

(3)减少提供给电路板其它部分的电能，包括提供大多数系统电压轨的负载点转换器。

服务器使用的现代CPU在功率优化方法方面取得了极大的进步，但是它仍然是服务器主板上功率最大的单负载，存储器紧随其后。数据中心仍利用高端CPU来支持市场所需的数据流量和计算能力。因此，该行业着重提高VR解决方案的效率，以便降低服务器和整个数据中心的功率。

为了定量地了解VR效率提高的效果，建立了一个典型的双处理器服务器模型，每个处理器占用DDR存储器的2条通道。典型满载服务器机架将用到高达9.5kW的电源，只是为CPU和DDR存储器(130W CPU × 2 = 260W + 60W DDR存储器组× 4 = 240W × 19个满载机架内的2U服务器)供电。在很多现有系统中，VR解决方案(将服务器的12V电压转换为CPU电压或DDR电压)的效率估计为85% [2]。在这种情况和3.0的PUE下，由于VR效率低下而导致每个机架浪费5.0kW的功率。

该模型中VR解决方案效率的提高与节约的电能的关系如图2所示。由此可以看出，在该模型中，VR效率每提高1%，就可以节约近400W的电能。

图3，在高效率下，多相VR解决方案能够提供大电流。

在低电压下为服务器CPU或DDR存储器组提供如此高的电流水平需要多相解决方案，如图3所示。很多代服务器都采用了多相解决方案，但是数字控制和电源管理器件采用的新解决方案能够提供当今新型服务器所需的高效率。与85%的平均效率相比，新解决方案可以实现93%或更高的最高效率和高于90%的满载效率[4]。从图2可以看出，单单通过实现该解决方案，每个机架就能够节约1kW以上的电能。

图4，IR利用IR3550 PowIRstage和CHiL数字控制实现的多相解决方案的多相效率。

如图4所示，IR解决方案利用动态相位控制和可变栅极驱动的数字电源技术组合以及高效率PowIRstage解决方案IR3550，极大地提高了效率。

动态相位控制是数字电源控制IC的一种功能，能够精确测量负载电流，并利用用户定义的阈值打开或关闭1个或多个相位以实现效率最大化。有4个相位，在电流较低的情况下，如果只需要1个相位，就会浪费剩余3个相位的开关损耗。关闭相位就可以提高效率。同样，随着电流的增加，打开其他相位。这种技术通常被称为切相，但是动态相位控制实际上要复杂得多。通过测量平均负载电流和切相，IR在切相过程中实现了更高的效率。然而，服务器内的CPU可以非常快速地提高电流，通常超过100A。如果控制器采用了相同的平均技术来增加相位，那么系统极有可能出现故障，因为1个相位可能负载100A以上的电流。并且，为了保证控制环路的稳定性，无论有多少相位，都会自动稳定内部数字控制环路，而这正是以前的模拟技术所无法实现的。

图5 ，栅极驱动的数值(VGD)改变时，RDSon就会变化，但是开关损耗降低。

可变栅极驱动的效果如图5所示。如果任意给定相位内的电流很低，则可以降低栅极驱动电压以便降低该相位的栅极驱动损耗。代价是RDS(on)值稍微增加，因此该相位的导通损耗提高。然而，如果为所选MOSFET选择了合适的数值，则可以降低总功率损耗。如果相电流很高，就会提高栅极驱动电压，以便降低RDS(on)和导通损耗。IR的CHIL?数字控制技术让我们能够针对MOSFET、相位数量和每个相位的电流水平来优化这些参数，从而利用服务器VR解决方案实现最大效率增益。