优化数据中心中间总线电压以获得显著系统效率提升

作者：Oscar Persson，Flex Power Modules专家-研发工程师

效率优化的需求

维持数据中心的能源成本上限正变得越来越困难，因为流量呈指数级增长，电力成本处于历史最高水平。虽然系统设计师们一直在努力获得更多数据吞吐量且同时不让功耗按照比例增加，他们也同样面临着要从电力输送系统中榨取更高的效率的压力，以减少损耗、由此产生的成本和冷却系统的开销。功率转换器的设计师们针对此需求已推出了越来越高效的产品，而且值得注意的是，尽管自2010年以来，数据中心工作量增加了约10倍，但直到2020年，能源的消耗一直较为平稳（图1）[1]。

图 1：即使流量呈指数级增长，数据中心的能耗也一直保持平稳。来源：国际能源署 [1]

然而，功率转换硬件效率的增量增益正变得越来越难以找寻，因此，能耗及其成本必定将开始跟随流量的指数增长趋势，并产生重大财务上的影响。

另一个可拉动的杠杆

虽然功率转换器的效率数据集中在 95% 以上，以通常使用的同步整流器和谐振拓扑为例，还有另一个可拉动的杠杆——效率曲线的形状与输入和输出电压和负载电流的不同组合。这永远不会是平缓的（在空载时为零），并且必须在I2R 损耗开始占主导地位的某个高负载时逐渐走低，因此转换器设计师可以选择在何处使其达到峰值，也许是在满负载时？或者可能是假设的典型负载？问题在于，设计师不一定知道负载降额（如果系统架构师有内置的话）、可能施加的输入电压以及可能设置的输出电压（如果可调节）。此外，电源链中可能来自不同制造商的其他转换器，几乎肯定这些转换器的峰值效率出现在不同的设定电压和负载下。 当谈到电力系统的效率时，目标可能是变动的（不同负载、输入/输出电压），但目的是在任何一点上都能创造高效率。

为什么效率随输入/输出电压比而变化

典型电源转换器的效率如何以及为何会发生变化，是值得考虑的。在数据中心直流配电系统中，有“总线”转换器，将较高的可变电压，可能是40-60V，转换为稳定的12V，为非隔离“负载点”（PoL）转换器供电，这些转换器提供通常低于1V的最终电压（）到端负载。

总线转换器中的变压器处理输出的基本变化，但要处理较宽范围的输入变化，开关占空比必须以相同的比例变化。在通常使用的桥式电路中，这意味着单个开关占空比变化从略低于 50% 到低于 25%，以考虑容差、电压浪涌和“死区时间”。在低输入电压和最大占空比下，平均电流和 RMS 电流很高，开关通道、磁性绕组和互连中的I2R损耗增加。在高输入电压和最小占空比下，平均电流低于低输入电压下的电流，具有较低的 RMS 值，但开关损耗会因电路和器件电容在较高电压下的充放电而增加。此外，对于恒定功率，峰值电流在任何占空比下都是恒定的，因此在高输入电压下，开关边缘上的任何电流/电压重叠都会产生更高的功耗。输入/输出电容器的 ESR上的纹波电流和随之而来的耗散在高输入电压下也最高，例如，两条桥臂各自25% 的占空比仅相当于输入电流的 50% 导通时间，意味着比较高的电容器纹波电流。在低输入电压下，整体有效占空比接近 100% 或直流，纹波电流小，ESR 损耗更低。

PoL转换器可以具有极高转换率

非隔离PoL转换器（或稳压器模块）的效率随负载和电压转换比的变化相似，除了通常更为极端的10:1电压比的情况，，这个比率并不罕见，例如从 12V 到 1.2V 或10% 的工作占空比。在纹波电流设置得非常低的情况下，如果高压侧和低压侧开关具有相同的导通电阻，它们的联合损耗则在占空比为 50% 时最大。然而，电感器的峰-峰纹波电流通常是允许处在高值的，可能是负载电流的 50%，以获得更好的环路响应和适应更小尺寸。这会在高转换比下增加相对更多的传导损耗，从而使效率曲线“变平”。图 2 就是一个例子。可以选择具有较低导通电阻的低压侧开关管，会带来某些好处。在图 2 的示例中，如果低压侧 FET 为 50 毫欧而不是 100 毫欧，这会相对降低高占空比下的损耗，可以利用这一点再次塑造效率曲线。

图 2：PoL开关在不同占空比下的示例纹波电流波形和损耗计算，对应于固定输出电压、高低输入电压下，5A 负载，50%和 10%占空比

多种因素影响效率曲线的形状

其他因素也会影响总线和PoL转换器在不同条件下的效率曲线形状，例如反向恢复期间的磁损耗和体二极管损耗，因此确定峰值效率的条件很复杂。 这实际上意味着，转换器制造商将会测量实际值并提供图表，或提供诸如FLEX Power Designer的模拟工具。

在分布式直流总线系统中，输入由外部因素决定，最终PoL输出电压是负载所需的电压，但中间电压（通常为 12V）可以变化，以找到特定负载条件下整体效率最大化的“最佳位置”。为了推进这一点，现代稳压中间总线转换器可以被动态编程，通常由 PMBus在一定范围内进行。例如，FLEX Power Designer设定为使用FLEX Power Modules的BMR491总线转换器以 12V 输出电压为BMR467/469 PoL供电，BMR491上的负载为1100W，PoL上的负载约为 1000W。该软件显示整体效率为 88.25%。如果中间总线电压降低到10.3V，效率变化为0.05%，可忽略不计（图 4）。如果将BMR491输出电压设置为 8V 以尝试显著提高效率，由于PoL显示为恒定功率设备，输出电流增加到137.5A，远远超过BMR491的最大连续额定值 108.3A。

图 4：FLEX Power Designer 软件的屏幕截图，显示所选总线电压下的系统效率

如果我们现在以440W的较轻负载条件考虑，软件计算出12V 时的效率为86.7%，10.3V 时为87.6%，8V时为88.45%，在最低电压下可显著节省1.72%。在8V和440W时，电流为55A，完全在BMR491额定值范围内。显然，在较轻的负载条件下，降低中间总线电压是有利的，而且通过 PMBus控制，这可以动态完成，因为BMR491“知晓”其输出电流并将其传递给外部控制器，该控制器可以回复指令来降低总线电压。在更高级的系统中，即使是PoL/稳压器模块（VRM）也可以向外部控制器提供实时数据以进行进一步微调。

负载可能迅速变化

然而，随着处理需求的变化，负载可能会快速上升和下降，所以如果总线电压在轻负载下设置为低以提高效率，可能会有负载突然增加到最大值的可能性。在BMR491及其控制器做出增大电压的反应之前，会有一小段时间出现电压较低且电流高于转换器连续额定值的情况。BMR491可以应对这种情况，因为它具有峰值1850W或155A的浪涌负载额定值，因此我们的1100W满载下8V 输出电压产生137.5A电流的示例在短时期内很容易实现。

行业中的所有高峰期都不尽相同。有些比其他的更短。为实用起见，建议使用>100毫秒的浪涌周期。更长的周期还可以降低对控制器速度的要求，并且可以减少PMBus流量。

总结

每一个百分点的效率节省都是值得的，而且在了解功率转化器的效率在变动负载和固定电压下的详细变化的知识后，可以找到系统的“最佳点”，使功率损失最小化。 FLEX Power Modules的产品的性能在FLEX Power Designer软件中得到充分的表述，因此用户可以“虚拟”探索设备的运行条件，然后在现实世界中，通过数字接口动态控制转换器输出电压，以跟随效率曲线中的高点。

引用

[1] IEA, Global trends in internet traffic, data centres workloads and data centre energy use, 2010-2020, IEA, Paris https://www.iea.org/data-and-sta ... nergy-use-2010-2020
[2] www.flexpowermodules.comm