【IT168 资讯】大型数据中心需要消耗巨大的电能。为了尽可能地减少浪费的能源，电源制造商采用了很多方法来尽可能地提高电源转换效率。从广义上讲，挑战是如何在将多相交流电源转换成很低电压(用于为数百个服务器中的处理器供电)的过程中保持高效率。这些处理器有三种电源轨：逻辑、存储器和I/O，它们都要求非常精准的1V左右的稳定电压，精度要达到0.01V。
处理器的负载经常会发生变化，具体取决于处理器当时的工作量，也就是说有多少个晶体管处于开关工作状态。这些负载要求的电流变化范围可从几个mA到几十安培，瞬时需求可达到每毫秒数百伏。
使情况变得复杂的一个因素是，为处理器上的不同电源轨提供的电压必须是稳定的和满足定序要求。这些电压必须以一个固定的顺序和精确的时序施加和移除。因此，挑战在于创建一个高效的电源分配网络，它能将电网中的电能高效地转换到这些动态低电压负载上。
目前在用或正在讨论中的数据中心电源分配方案共有5种。但哪种在总体效率方面最优呢？争论还在继续，但American Power Conversion公司的Neil Rasmussen写的一篇有趣的分析报告‘AC vs. DC Power Distribution for Data Centers’给我们提供了一种分析方法学。
在北美数据中心配置中，主电源先经过一个不间断电源(UPS)和一个基于变压器的电源分配单元(PDU)，再送到服务器背板上。在其它地区的配置方案中，由于交流主电源电压比较高，因此不需要使用PDU。
UPS用于从交流电源线或市电停电时从电池组提供预稳压的交流电源。UPS的第一级只是一个交流到直流的整流器，其未经滤波的输出被直接连到电池组。UPS的第二级是一个逆变器。这个交流逆变器的输出接到PDU，PDU提供功率因素校正，并将交流电压提升后向数据中心配电。在每个设备机柜内部，一个前端转换器对送进来的交流电压进行整流，再经过降压后配送到背板上。在电信中心局，UPS通常含有一个很大的48V铅酸蓄电池组，以提供强制规定的“5个9”(99.999%)可用性。因此，48V直接配送到设备机柜中的背板总线上。
与传统方法不同的是，方案d和e的配置基于在数据中心各处的前端/UPS和总线上产生较高的直流电压，这样可以适当地降低功率(I2R)损失。方案e配置要求在设备机柜中实现到48V的最后一步降压工作。另外，方案d配置使用通用降压转换器，并允许在背板上实现传统的48V配送。
由于不认可其它研究报告中作出的支持高直流电压概念的某些假设，Rasmussen的分析报告基本上认为“其它地区”的传统配置方案最优。在设备机柜内部，通用模式是中间总线架构(IBA)。IBA接受标称的48V直流背板电压，然后将这个电压送到每块电路板上的降压转换器，这些降压转换器的尺寸通常是“几分之一砖”。这一砖型转换器再将48V隔离和转换成比较稳定的中间总线电压。这个中间总线电压再送到众多的负载点(POL)DC/DC转换器，由这些转换器降压后向关键的IC提供严格稳定的电压。为了提高效率和便于控制，这些转换器一般是开关型转换器。
为了便于后面的解释，我们将DC/DC砖型稳压器提供的这个中间总线电压看作是标准的12V。在实际应用中，可能是12V、8V或5V直流电压，取决于具体的系统设计。总线电压越高，功率(I2R)损失越少，但在每个负载点的简单DC/DC降压稳压器的效率将随着压差的增大而下降。因此，中间总线电压的选择是一个折衷。
平坦化效率曲线
在过去，数据手册上的电源效率值指的是峰值效率，通常是在额定负载的50%和80%之间的效率值。实际效率在满载时将稍有下降，在接近20%负载时可能会急剧下降。最近发布的全球性标准已经意识到负载的这种变化因素，要求在20%至100%的负载范围内提供80%以上的高效率。
在整个负载范围内改进效率已经成为所有功率级别的电源制造商的一个差异化点。从广义上讲，效率提升技术包括同步整流、跳周、多相和切相。
同步整流用一个功率FET代替续流二极管。具体来说，一个基本的降压或升压转换器只需要一个开关晶体管加上一个整流二极管。但这种架构的问题在于损耗正比于电流与正向压降的乘积和反向恢复时间。具有较小正向压降和良好反向恢复特性的肖特基二极管有助于降低这一损耗，但真正对提升效率有帮助的是另一个MOSFET开关，而不是硅二极管。
需要做出的牺牲是增加的复杂性，不管是在元件数量还是时序控制。由于在一个开关打开和另一个开关闭合之间必须存在一定的死区时间，因此需要增加时序控制电路。
此外，这个死区时间要求某类二极管能在顶部开关打开和底部开关闭合这段时间内导通。这可以用MOSFET的内在体二极管或外部肖特基二极管来实现。
在大功率交直流反激拓扑转换器中，准谐振或谷底开关电源会根据输入电压的变化而改变开关频率，以在MOSFET漏电压的最低点或谷底开关MOSFET。
跳周可以提高轻负载时的效率。在跳周模式下，只有当输出电压下降到稳压门限值之下时才会产生一个新的周期。开关频率正比于负载电流。在使用同步整流时，必须注意当流过电感的电流反向时必须打开开关，以便让MOSFET内的内在体二极管阻塞反向电流。
多相和切相包含多个低电流开关转换器。这些转换器运行在一个公共的开关频率之下，但它们的时钟相位不同。
将多个开关稳压器的输出并联起来除了可以增加电流输出能力，而且还有其它好处。多相DC/DC转换器中的每个并联开关可工作在相对较低的频率。不过，它们并联起来能够达到以很高开关频率工作的单相转换器的响应和稳压性能，而且没有与更高开关频率带来的更大开关损耗。此外，通过交叉相位，固有的输出纹波也能得到平滑。
但仅当切相被提出来时，业界才对多相开关稳压器真正发生兴趣，因为切相技术可以在处理轻负载时也能提供更高的效率。在轻负载时，切断一些相位是很有用的，因为单个转换器只在较大负载时才有较高的效率。随着总负载的增加，切掉的相位可以重新启用。这里的关键技巧在于相位同步和平衡，即动态调整相对相位角。
在某些情况下，最好同步驱动所有的时钟相位。Primarion公司(现在属于英飞凌)的一些DC/DC稳压器就是这样做的。这些芯片可以在两种模式之间切换，一种是“正常”模式，另一种叫做主动瞬时响应(ATR)模式。
在正常模式下，相位脉冲是均匀分布的，以使整体纹波最小。在ATR模式下，时钟到达所有相位的时间都是一致的，通过有效的并联电感来减小总的电感量，并增加瞬态斜坡时间。这种技术已被成功应用于具有8个相位的负载点，这种负载点在电感上的di/dt速率超过800A/us，在输出电容上超过1500A/us。
数字电源
大约5年前，关于在模拟域还是数字域中实现开关电源中的控制环路还有很大的争论。最后，所有人都认识到这是错误的争论，“数字”应该意味着遥测和可编程总线(另一种可能性是通过外部电阻或引脚跨接对一些参数进行编程)。
不管控制环路用哪种实现方式，这些目标都能达到，因此完全有可能将模拟控制环路做在数字电源中。(在数字域中目前仍存在通过MCU和通过状态机实现控制哪个更好的争论。)
双向控制和监视总线有很多优点。从下游角度看，它支持快速重配置。双向使用方式再加上图形用户界面(GUI)提供了一种在线管理控制环路的途径。从上游角度看，双向控制和监视总线有利于系统诊断以及对潜在故障的预测。通过温度监视，它能管理多个服务器风扇以避免机箱内形成热点。
由于市场明显倾向于某类控制总线，问题就集中在实现方面：工业标准总线是否更好，专有总线是否能提供更多的创新等等。这是经典的开源和闭源的争论。这样的争论导致开发工作停滞了一年多。
与此同时，解释这种状况的非常好的方式是先了解PMBus。这是一种开放标准数字电源管理协议，主要用于电源转换器和其它器件之间的通信。PMBus规定了传送和物理接口，还新增了一种命令语言。不过，它不能用于两个电源之间的通信。
其传送层基于的是I2C串行总线的SMBus(系统管理总线)扩展，具有数据包错误检测和主机告知功能。它不采用询问方式，而是增加了第三根信号线，允许从器件(如负载点转换器)中断系统主机/总线主器件。另外，还有一些硬连线信号，用于打开和关闭从器件，以及存储器保持数据的写保护。另外还包括数据包规范和电源控制特殊命令集。
Power-One公司的Z-Bus是一直很有竞争力的专有方案。PMBus会给系统控制器带来一定的编码和运算开销。Z-Bus采用了一个独立的可以处理许多负载点的控制器。
这个专有的Z系统要领先于PMBus，并且工作方式不同。它依赖于一个外部控制器，这个控制器通过I2C接口获取命令，并通过一根被称为Z-Bus的同步/数据线与Z-POL通信。Z-Bus使多个Z-POL同步于管理芯片中的主时钟，并在POL和动态电源管理(DPM)之间运载双向数据。Z系统可以在输出电压、输出跟踪和定序、开关频率、交织以及主动数字电流共享等方面提供多负载点控制功能。
除了电压调整外，可编程参数还包括输出跟踪与定序、开关频率、交织、反馈环路补偿以及与多个Z-POL转换器的主动数字电流共享。可编程保护功能包括输出过流和过压、输入欠压、电源正常信号门限和故障管理。实时报告包括输出电压、电流和负载点温度等内容。这些都可以通过高度直观的GUI进行编程。
在2007年底，Z-Bus和PMBus之间的竞争进入了一个新的阶段，当时评判委员会一致同意任何使用PMBus控制负载点的做法都是侵害了Power-One的专利。因此突然之间，有关针对IBA应用的数字负载点的新产品发布数量几乎为零，但不是完全没有。
去年，爱立信电源模块公司似乎成功规避了上述专利问题。该公司将PMBus控制转移到以前的“哑”砖上，并增强了稳压性能，从而减轻了负载点的负担。另外特别要提到的是，爱默生公司推出了标准四分之一砖尺寸的新款部分砖型稳压器，这个稳压器可以通过PMBus设置输出电平在8.5V至13.5V之间，精度为±2%，输出电流在12V时能达到33A。由于数字控制环路的应用，这个稳压器在一半负载时的典型效率达96%，而且在整个负载范围内的效率非常平坦。
爱立信在砖式稳压器的标准输入/输出引脚的两端为通信总线增加了一个独立的头部标识。该总线引脚允许其中两个砖式稳压器进行负载分担，同时对它们的开关信号自动进行相位交织以减少传导干扰。这种做法是否仍侵害了Power-One的专利声明目前还不清楚，但这是过去几年来唯一让大家感兴趣的采用PMBus前沿技术的新产品。
其它玩家
在德州评判委员会于2007年11月做出有利于Power-One的决议之前，曾发布过PMBus负载点产品的公司包括Intersil、凌力尔特、美信、Primarion/英飞凌以及TI。这个领域中的其它公司对Power-One公司声明的宽泛性十分恼火。
2005年，Zilker Labs(最近已被Intersil公司收购)推出了采用状态机控制而不是微控制器的负载点系列产品。对设计师来说，Zilker/Intersil方法真正吸引人的地方也许是易用性，特别是在相同电路中使用多个Zilker控制器非常容易。
这些控制器可以在稳定的输出电压、加电延时以及输出电压斜坡速率方面单独进行编程(引脚复用、电阻或SMBus)。SMBus编程具有最高的精度，但仅使用一对电阻就能让输出在0.6V至5.5V之间以10mV步距进行调节。另外，简单的引脚复用(3个引脚：低电平、高电平或开路)也能将输出电压设置为0.6V至5V之间的9个任意值。
在加电顺序方面，可以按预先定义好的顺序给Zilker的一组负载点器件加电，方法是发送PMBus命令指定顺序链中的前后器件。而更简单的方法是使用Zilker公司的自动定序专利模式，这时不需要I2C/SMBus 主机。
所有要做的事情是将I2C引脚互连到每个器件。在这种情况下，加电顺序取决于每个器件的总线地址。当所有转换器都同步于同一开关时钟时，可以实现相位扩展。这时每个芯片的相位偏移取决于每个器件的地址，即相位偏移=器件地址×45°。
Vicor公司在2003年推出的分比功率方案与所有其它公司有根本的区别。该方案采用非常高效的类似非调节隔离型负载点的芯片，同时提供上游稳压机制。它的优点包括更高的总线电压，低的功率(I2R)损失和低的电压降。
另外，把用于存储能量以满足负载瞬态电流需求的大电容从负载点的输出端向上游移动到输入端可以将所需电容值减小负载点降压比的平方数。最后，它能通过隔离势垒精确地控制负载电压，无需再使用对噪声敏感的长反馈线、光耦或磁耦。
分比功率架构引入了新的术语。隔离变压模块(VTM)位于负载端，而前置稳压器模块(PRM)位于上游。负载调整利用到上游PRM的反馈完成。PRM调整分比总线电压以保持负载电压的稳定。
这里的关键是VTM作为电流变换器的功能。它用“K”因子乘以电流(或除电压)。这个功能是在100%转换占空比的情况下实现的，因此在高K值时没有效率损失。这样，总线电压可以(事实就是)超过12V。事实上，总线电压仅受限于安全因素。
VTM输入端的大电容反映到负载点时有一个等于VTM电流增益平方的增益。因此在负载端只需要一个很小的在小于1毫秒的短时间内起作用的陶瓷旁路电容。
PRM采用了一种ZVS降压-升压控制架构。其输入电压范围从1.5V至400V，并能在5:1的范围内降压或升压，转换效率最高可达98%。在正常配置条件下，输出电压接近于输入电压：不稳定的48V到稳定的48V。一个PRM最大可以输出300W功率，VTM和PRM还可以并联使用以提供更大的输出功率。
VTM采用零电压切换和零电流切换(ZCS/ZVS)拓扑，Vicor称之为正弦幅值转换器，或SAC。其动力源是一个低Q值、高频率的受控振荡器，这种振荡器具有高频谱纯度和共模对称性，在实际应用中可达到无噪声工作的境界。
控制架构将操作频率锁定到动力源的谐振频率，从而通过有效地抵消电抗元件来优化效率和减小输出阻抗。单个VTM的等效电阻ROUT综合了VTM中的所有损耗，可低至0.8mΩ。如果这个值还不够小，或者还需要更大的功率，可以通过并联VTM实现电流分担。因此基于SAC的VTM在很大程度上是一种线性电压/电流转换器，在高达1MHz左右的频率范围内具有平坦的输出阻抗。
SAC VTM中的第二个电流是很纯的正弦曲线。VTM基本无电感的很低输出阻抗能接近瞬时地响应负载电流的100%变化。由于VTM中没有内部稳压电路，并且不存在服务性环路时延和稳定性问题，因此不要求内部控制动作来响应负载的变化。内部ASIC控制器只是连续地控制和同步开关操作以保持它们的协同性。
