關(guān)于提高數(shù)據(jù)中心功率密度與能效新方案的分線和介紹

如今，隨著用戶對(duì)無線網(wǎng)絡(luò)和數(shù)據(jù)中心需求的迅速增長(zhǎng)，你還在為減小數(shù)據(jù)中心尺寸并提高功率密度而發(fā)愁嗎？

目前數(shù)據(jù)中心的機(jī)架最大額定功率通常為 20kW，數(shù)據(jù)中心背板通常是采用單相或多相同步降壓調(diào)節(jié)器，將12V電源電壓降至 1V左右給主板配電。為了減小數(shù)據(jù)中心的整體尺寸，開放計(jì)算項(xiàng)目（OCP）和谷歌都提出采用 48V 背板配電將每個(gè)機(jī)架的功率密度提高到100kW。然而，以現(xiàn)有的傳統(tǒng)同步降壓調(diào)節(jié)器技術(shù)根本無法實(shí)現(xiàn)這種設(shè)想。

Q: 如何在不增加成本的前提下，提高數(shù)據(jù)中心的功率密度呢？ A:

本文給大家介紹一套靈活、可調(diào)、高性價(jià)比的兩級(jí)架構(gòu)解決方案。此方案將對(duì)下一代服務(wù)器的功率傳輸大有裨益。

第一級(jí)

首先，將48V電壓分布至整塊電路板上，然后使用半橋LLC諧振變換器降壓至可變的中間電壓值，通常為 5-8V?？勺?5-8V電壓集中供電給CPU 和存儲(chǔ)電源群，其余配電功率（總計(jì)約 50W）還需要通過一個(gè)轉(zhuǎn)換器將5-8V進(jìn)行降壓轉(zhuǎn)換。

半橋LLC諧振變換器能實(shí)現(xiàn) 98% 的峰值轉(zhuǎn)換效率。5-8V中間浮動(dòng)電壓有利于實(shí)現(xiàn)軟開關(guān)切換。由于第一級(jí)輸入電壓低于 60V，無需實(shí)行電氣隔離。若采用變壓器代替LLC 電感，既有助于將48V電壓降壓調(diào)節(jié)至 5-8V，又有助于實(shí)現(xiàn)功能性隔離。此方案的基本設(shè)計(jì)理念是將第一級(jí)模塊化（見圖1）。

圖1：第一級(jí)模塊前視圖

第一級(jí)模塊的輸出功率可以隨負(fù)載變化進(jìn)行調(diào)節(jié)，例如，僅需2顆模塊即可提供典型單處理器服務(wù)器所需的功率。第一級(jí)的另一個(gè)獨(dú)特之處為多源極。當(dāng)氮化鎵GaN等技術(shù)普及之后，可以在不影響下游解決方案的情況下無縫替換這些模塊。未來可采用新型嚴(yán)格校準(zhǔn)高精度轉(zhuǎn)換模塊直接替換精度較差的 5-8V 輸出模塊，而不會(huì)對(duì)整個(gè)系統(tǒng)造成任何干擾。這也大大提高了系統(tǒng)的互通性與可調(diào)性。

第二級(jí)

第二級(jí)電源選型完全取決于負(fù)載功率等級(jí)。在毫安負(fù)載條件下，第二級(jí)可以簡(jiǎn)單使用線性低壓差調(diào)節(jié)器（LDO）進(jìn)行電壓轉(zhuǎn)換。隨著功率等級(jí)不斷提高，第二級(jí)需采用單相同步降壓調(diào)節(jié)器進(jìn)行轉(zhuǎn)換。

與典型的 12V 電源相比，由于第二級(jí)電源輸入電壓降低，芯片無需滿足低占空比的工作要求，也無需內(nèi)置高擊穿電壓場(chǎng)效應(yīng)管（FET），這不僅可以降低元器件成本，系統(tǒng)損耗也隨之減少。

針對(duì)處理器和存儲(chǔ)器中的大電流應(yīng)用，可采用多相交錯(cuò)并聯(lián)轉(zhuǎn)換器的方式輸出功率（見圖2）。在前饋控制的優(yōu)化之后，多相轉(zhuǎn)換器峰值效率最高能達(dá)到97%。若采用高頻轉(zhuǎn)換器，只需要使用更小尺寸的電感和更少的電容，第二級(jí)的整體布局將大大縮小。

圖2：第二級(jí)

敲黑板劃重點(diǎn)啦！

綜上所述，采用兩級(jí)電源架構(gòu)解決方案有以下優(yōu)點(diǎn)：

1高效率：

采用兩級(jí)架構(gòu)的總效率約為 95%，不僅超過了48V轉(zhuǎn)換1V的目標(biāo)效率93%，而且可匹敵最先進(jìn)的12V轉(zhuǎn)換1V效率。

2小尺寸：

因?yàn)槟K可以豎直貼裝，所以不會(huì)增加電路板的尺寸。第二級(jí)布局的縮減有利于擴(kuò)大第一級(jí)模塊布局。

3靈活可調(diào)：

可迭代替換第一級(jí)模塊，可靈活選用第二級(jí)轉(zhuǎn)換器，提高了解決方案的可調(diào)性。

6“加量不加價(jià)”：

在保證數(shù)據(jù)中心的成本和尺寸不變的前提下，實(shí)現(xiàn)了每機(jī)架100kW的功率密度。