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反思后硅世界中的服务器电源架构:从48Vin - 1Vout直接获取

发布时间:2021-01-19 来源:Alex Lidow,David Reusch,John Glaser 责任编辑:wenwei

【导读】人类社会对信息的需求正以前所未有的速度增长。随着诸如云计算和物联网(IoT)这些新兴技术的发展,更快地接触更多的信息这一趋势并未显示任何放缓迹象。高速率传输信息成为可能得益于机架和服务器机架,它们多数处于集中式数据中心。
 
2014年,数据中心(设在美国)所消耗的能量约为1000亿千瓦时(kWh),而国家科学研究开发公司(NRDC)预计到2020年,数据中心电力消费量每年将增至约1400亿千瓦时,相当于50个发电站的年产量。
 
支持这一快速增长需求所需电力来自我们的电网,并经过多次转换阶段,然后其才真正地将剩余能量馈进数字半导体芯片。图1所示为这一“旅程”的图解。该图中还显示由传输和电力转换造成的损失 – 从发电厂到所有工作的计算机芯片。
 
将这些效能数字相乘显示,电网需要提供150瓦功率以满足可能仅需要100瓦的数字芯片的需求。因此,在整个美国,由于服务器用电源转换造成的总浪费电量为330亿千瓦时,这几乎相当于十几个发电厂产出的电量。但是,服务器场中浪费的总电量更多,因为通过电源转换的每瓦功率损耗实际上是被转换成热能的能量,而除去该热能需要更多功率。
 
反思后硅世界中的服务器电源架构:从48Vin - 1Vout直接获取
图1:现代服务器场中使用的典型多级功率变换结构,它从电网中汲取150瓦的功率,为服务器中使用的数字处理器提供100瓦的电能。
 
然而,电网已经存在了一个多世纪,基于二战后开发的半导体技术已构建转换的各个阶段。这些半导体基于硅晶体,正是硅的性能和局限性形成了图1所示架构。
 
在本文中,我们将演示基于增强型氮化镓(eGaN®技术)的电源转换器的优点,其现有数据中心和集中于低至1VDC负载电压的48 VDC输入电压所用的电信架构解决方案。我们将探讨高性能GaN功率晶体管的能力,以使用新方法以更高效率和更高功率密度为功率数据中心和电信系统提供电源。此方法在效率和功率密度方面都比先前的基于Si MOSFET的架构更高。
 
从48 VIN– 1 VOUT直接获取
 
自采用12 V中间总线架构(IBA)以来,此总线转换器在输出功率中正接近数量级的提高。在型电源模块足迹中,现行设计从约100W增至约1千瓦。这意味着至POL转换器的12V总线上的电流量以10的系数增加,而且不用降低总线电阻,随后的总线传导损耗中会以2的数量级增加。相比传统的IBA系统中的硅基解决方案,GaN基技术的解决方案已证明其效率显著提高。
 
然而,随着48 VIN总线转换器的转换损耗不断增加,主板上不断攀升的12V总线损及GaN技术更高的性能,现可考虑不同的体系结构,如使用非隔离型POL转换器从48 VIN直接进入负载,如图2底部所示。
 
反思后硅世界中的服务器电源架构:从48Vin - 1Vout直接获取
图2:中间总线架构(IBA)和直接转换DC总线结构。
 
传统型降压转换器可作为第一种方法来评估将48 VIN直接转换为1 VOUT。降压转换器的拓扑结构最简单,而且是绝大多数现有12 VIN系统采用的做法。对于48 V输入,在EPC9041演示板中嵌入的80V eGaN单片式半桥集成电路(EPC2105)可选定用于具有更高降压比的应用。TI采用的第二种方法是将48 VIN直接转换到1 VOUT,其采用基于变压器的设计来提高转换器效率。一个基于LMG5200 GaN的半桥被用于48 VIN输入侧,而四个30 V EPC2023 eGaN FET被用于低电压输出侧。
 
两种48 VIN至1 VOUT设计的高效率和功率密度如图3所示。降压转换器的效率是整个动力传动系的效率,包括电感器(Würth Elektronik 744 301 033)、电容器和印刷电路板损失。在300kHz的开关频率条件下,可实现84%的最高效率,而在20 A条件下,实现的效率约为83.5%。降压构件(不包括控制器)的功率密度约为300 W/in3。对于600 kHz条件下操作的基于变压器的方法,可实现超过90%的效率,而在50 A输出电流条件下,可实现近88%的效率。对于基于变压器的构件(不包括控制器),功率密度为约80 W/in3。
 
反思后硅世界中的服务器电源架构:从48Vin - 1Vout直接获取
图3:基于eGaN POL转换器的效率和功率密度,VIN = 48 V至VOUT = 1V。
 
使用图4所示的基于GaN技术的最佳设计,对比单级48 VIN至1 VOUT的POL转换器和传统两级IBA法的预计效率和功率密度,并在表1总结(硅基解决方案远不及这些基于GaN技术的解决方案有效)。基于GaN集成电路的IBA电源转换器比基于降压的方法的48 VIN〜1 VOUT直接转换预计会有1.5%的效率提升。然而,当12V总线的损失增加约2%时,总体系统效率极其相似。传统IBA法和48 VIN直接转换基于降压的方法也有类似的功率密度。对于48 VIN基于变压器的方法,系统效率比传统IBA法高出7%,该系统具有低功率密度,比常规IBA基于GaN的方法低约三分之一。
 
DC总线架构还具有潜在的成本优势,因为IBC的成本可省去。而48 VIN POL转换器与12 VIN POL转换器相比,增加的成本将降至最低,因为它们使用的电源装置、控制器和驱动程序的数量类似。
 
反思后硅世界中的服务器电源架构:从48Vin - 1Vout直接获取
图4:基于GaN技术的48 VIN中间总线架构和48 VIN DC总线架构的性能对比
 
反思后硅世界中的服务器电源架构:从48Vin - 1Vout直接获取
(a) 缩放到500瓦的输出功率。
 
表1:48 VIN中间总线架构和48 VIN DC总线架构的性能对比总结
 
图5中,我们在基于eGaN FET和集成电路的设计中应用单级效率的同时需要重新查看图1内容。通过省去服务器场电源架构末级所获得的直接节省电能不仅降低了成本,而且还降低7%到15%不等的功耗,这取决于基于GaN的方法。与硅基解决方案对比时,这关联到每年直接节约的多达210亿千瓦时的电能。当服务器场中的空调能源成本增加时,还可节约更多电能,仅在美国可将总节约电能降至服务器所耗1400亿千瓦时的近25%。
 
结论
 
当今美国服务器场中可能的节省电能所造成的影响甚至比后硅世界中eGaN技术的影响更大,而此影响的一个示例是这一新兴技术可有效使用电力。eGaN技术为更高性能的半导体提供了一个途径,重新开启了推动创新的摩尔定律的可能性——就像摩尔定律超出常规一样。例如,eGaN技术实现了许多新应用,如无线电力传输、5G蜂窝技术、自主车辆和结肠镜检查丸剂。而且,随着电子行业在固有属性中获得的高性能功能能力的经验和知识,由此产生的高性能eGaN半导体设备将实现很多不可预见的应用,就像二战后时代带来的此应用的前身——硅。
 
eGaN®FET是Efficient Power Conversion公司的注册商标。
 
一般参考
 
[1] D. REUSCH和J.Glaser,DC-DC转换器手册,电源转换出版物,2015年,ISBN 978-0-9966492-0-9
 
 
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