原标题：服务器电源设计的5大趋势

　　由于服务器对于处理数据通信至关重要，因此服务器行业与 Internet 并行呈指数级增长。虽然服务器单元最初基于 PC 架构，但服务器系统必须能够处理不断增加的网络主机数量和复杂性。

　　图 1显示了数据中心中典型的机架式服务器系统和服务器系统的框图。电源单元 (PSU) 是服务器系统的核心，需要复杂的系统架构。本文将探讨五种服务器 PSU 设计趋势：功率预算、冗余、效率、工作温度以及通信和控制。

　　图 1显示了服务器系统框图以及服务器在数据中心中的位置。资料来源：德州仪器

　　功率预算

　　在 21世纪初，机架或刀片服务器 PSU 的功率预算在 200-W 到 300-W 范围内。当时，每个中央处理器 (CPU) 的功耗在 30-W 到 50-W 范围内。图 2显示了 CPU 功耗趋势。

　　图 2显示了21世纪初的 CPU 功耗趋势。资料来源：nap.nationalacademies.org/read/12980/chapter/6#87

　　如今，服务器 CPU 的功耗约为 200 W，热设计功率接近 300 W，服务器 PSU 的功率预算大幅增加至 800 W 至 2,000 W。为了支持越来越多的服务器计算需求，例如互联网上的云计算和人工智能 (AI) 计算，服务器可以包括图形处理单元 (GPU) 以与 CPU 一起工作。这种包含可能会在五年内将服务器的功率需求提高到 3,000 W 以上。但是，由于大多数机架或刀片服务器 PSU 仍在使用额定电流高达 16-A 的 AC 入口，因此它们的功率预算有限：在 240 V AC输入下大约为 3,600 W，考虑了转换器的效率。因此，短期内 3,600 W 仍将是服务器机架 PSU 的功率限制。

　　对于数据中心电源架，服务器 PSU 设计人员广泛应用国际电工委员会 (IEC) 60320 C20 AC 入口，额定电流为 20-A。PSU 功率预算受到其交流输入电流额定值的限制，在当今的数据中心 PSU 中允许大约 3,000 W;但在不久的将来，数据中心 PSU 的功率水平可能会增加到 5,000 W 以上。为了允许每个 PSU 更高的功率预算并实现更高的功率密度，您还可以在 AC 入口处使用母线以提高输入电流额定值。

　　冗余

　　服务器系统中可靠性和可用性的重要性需要冗余 PSU。如果一个或多个 PSU 发生故障，系统中的其他 PSU 可以接管以提供能量。

　　一个简单的服务器系统可以有 1+1 冗余，这意味着系统中有一个活动 PSU 和一个冗余 PSU。复杂的服务器系统可能具有 N+1 或 N+N (N>2) 冗余，具体取决于系统可靠性和成本考虑。为了在需要更换 PSU 时保持系统正常运行，系统需要热插拔(ORing 控制)技术。由于多个 PSU 在 N+1 或 N+N 系统中同时供电，服务器 PSU 还需要电流共享技术。

　　即使处于待机模式的 PSU(不从其主电源轨向输出端供电)仍然需要在热插拔事件后立即提供全功率，因此需要不断激活功率级。为了降低冗余电源在待机模式下的功耗，“冷冗余”功能正在成为一种趋势。冷冗余的目的是关闭主电源运行或以突发模式运行，使冗余 PSU 能够最大限度地降低待机功耗。

　　效率

　　2000 年代初期的效率规格刚刚超过 65%;当时，服务器 PSU 设计人员并未优先考虑效率。传统转换器拓扑可以轻松满足 65% 的效率目标。但由于服务器需要连续运行，更高的效率可以大大降低总体拥有成本。

　　自 2004 年以来，80 Plus 标准为 PC 和服务器 PSU 系统提供了可实现 80% 以上效率的认证。目前量产的服务器电源大多达到 80 Plus Gold(>92% 效率)的要求，有些甚至可以达到 80 Plus Platinum(>94% 效率)的要求。

　　目前正在开发的服务器 PSU 主要针对更高的 80 Plus Titanium 规格，该规格要求在半负载下达到 96% 以上的峰值效率。表 1显示了各种 80 Plus 规格。

　　表 1 80 Plus 规格确保了 80% 以上的效率。资料来源：www.clearesult.com/80plus/

　　此外，根据数据中心 PSU 遵循的开放计算项目 (OCP) 开放式机架规范，PSU 需要达到 97.5% 以上的峰值效率。因此，无桥功率因数校正 (PFC) 和软开关转换器等新拓扑，以及碳化硅 (SiC) 和氮化镓 (GaN) 等宽带隙技术可以帮助 PSU 实现 80 Plus Titanium 和开放计算效率目标.

　　工作温度

　　在服务器 PSU 热管理的上下文中，设计人员将 PSU 交流入口(风扇所在的位置)的环境温度定义为服务器 PSU 的工作温度。工作温度在 2000 年代初期从最高 45°C 开始，到今天最高达到 55°C，具体取决于服务器机房的冷却系统。

　　较高的工作温度可降低服务器冷却系统的能源成本。与数据中心的资本支出(如硬件设备)相比，随着时间的推移，作为运营费用的能源成本预计将高于资本支出。根据电源使用效率 (PUE) 标准：

　　PUE = 数据中心总功率/实际 IT 功率

　　如表 2所示，较低的 PUE 数意味着高效的数据中心。图 3是不同工作温度下 PUE 数的估计。例如，PUE 为 1.25 的数据中心在其冷却系统上只能允许 10% 的总功耗。这意味着服务器 PSU 需要更高的工作温度。

　　表 2较低的 PUE 数转化为高效的数据中心。

　　图 3对不同工作温度下的 PUE 数的估计表明，工作温度越高，冷却成本就越低。

　　通讯与控制

　　多年来，通信和控制在服务器电源方面发挥了重要作用。在 2000 年代初期，PSU 的内部信息通过 System Management Bus 接口传输到系统端。2007年，电源管理总线(PMBus)接口增加功能，包括配置、控制、监控和故障管理、输入/输出电流和功率、板温、风扇转速控制、实时更新代码、过压(电流、温度) , 和保护。然后，为了响应对数据中心电源架的需求增加，控制器局域网总线 (CANBus) 成为服务器电源通信的一部分。

　　电源管理控制器也随着通信总线而发展。在 2000 年代初期，模拟控制器主要控制服务器 PSU。随着越来越多的控制需求增加了对通信的需求，使用数字控制器实现这些需求变得更加容易。使用数字控制还可以减少硬件工程师的调试工作，从而可能降低 PSU 设计和验证阶段的人工成本。

　　服务器电源的未来发展趋势

　　随着服务器功率预算的增长而体积保持不变，功率密度要求将变得更加严格。在新开发的服务器 PSU 上，功率密度已从 2000 年初的个位数增加到近 100 W/in 3 。通过拓扑和组件技术演进提高转换器效率是实现高功率密度的解决方案。

　　与电流、功率和效率趋势的情况一样，理想的二极管/ ORing 控制器需要在小封装中提供高电流。理想的二极管/ORing 控制器还必须集成监控、故障处理和瞬态处理等功能，以减少实现这些功能所需的整体组件数量和 PCB 面积。

　　例如，服务器 PSU 中的 PFC 电路已经从无源 PFC 发展到有源桥 PFC 再到有源无桥 PFC。隔离式 DC/DC 转换器已从硬开关反激式和正向转换器发展为软开关电感-电感-电容谐振和移相全桥转换器。非隔离式 DC/DC 转换器已经从线性稳压器和磁放大器演变为带有同步整流器的降压转换器。随后整体效率的提高降低了内部功耗和解决热问题所需的工作量。

　　应用于服务器 PSU 的组件技术也不断发展，从 IGBT 和硅 MOSFET 发展到宽带隙器件，例如碳化硅 MOSFET 和氮化镓 FET。IGBT 和硅 MOSFET 的非理想开关特性将开关频率限制在 200 kHz 以下。虽然宽带隙器件的开关特性更接近理想开关，但使用宽带隙器件可以实现更高的开关频率，以帮助减少 PSU 中使用的磁性元件数量。

　　随着工作温度的升高，服务器 PSU 中的组件需要处理更高的热应力，这也推动了电路的发展。例如，传统的实现方式是采用与电阻器并联的机械继电器来抑制启动期间的输入浪涌电流。但由于体积庞大、可靠性问题和较低的额定温度，固态继电器现在正在取代服务器 PSU 中的机械继电器。

　　功率密度 >180-W/in 3的 3.6-kW 单相图腾柱无桥 PFC 设计和功率密度 >270-W/in 3的 3-kW 相移全桥有源钳位设计旨在满足常见的服务器中的冗余电源规格(图 4)。

　　图 4框图显示了 3.6 kW 和 3 kW 参考设计。资料来源：德州仪器

　　在 3.6 kW PFC 设计中，固态继电器可适应高工作温度。在这里，LMG3522R030 GaN FET 支持使用无桥图腾柱 PFC 拓扑。“婴儿升压”减小了大容量电容器的体积，从而提高了功率密度。

　　在 3kW 相移全桥设计中，LMG3522R030 GaN FET 有助于降低循环电流并实现软开关。用作无损缓冲器的有源钳位电路可实现更高的转换器效率和更低的同步整流器电压应力。上述所有控制要求都是通过C2000微控制器作为数字控制处理器来实现的。

　　Richard Yin 是德州仪器 (TI) 电源设计服务部的系统工程师。