优化数据中心中间总线电压，显著提高系统效率，降低能源成本

【导读】随着通信量呈指数级增长，电力成本创下历史新高，数据中心能源成本的上限越来越难控制。虽然系统设计人员一直在努力在不按比例增加功耗的情况下获得更多的数据吞吐量，但也面临着同样的压力，需要从电力输送系统中挤出更好的效率，以减少损失、随之而来的成本和冷却系统开销。功率转换器设计师的反应是生产效率更高的产品，值得注意的是，尽管自2010年以来中心工作量增加了约10倍，但到2020年，能源使用基本持平（图1）。

图1：即使流量呈指数级增长，数据中心的能源使用仍保持不变。资料来源：IEA

然而，功率转换硬件效率的增量收益越来越难找到，因此，能源使用及其成本将开始遵循指数流量趋势，并产生重大的财务影响。

还有一个杠杆

虽然功率转换器的效率达到95%+以上，例如，同步整流器和谐振拓扑被广泛使用，但还有另一个杠杆需要拉动——输入和输出电压以及负载电流的不同组合的效率曲线形状。这永远不会是平坦的（空载时为零！）而且它必须在I2R损耗开始占主导地位的高负载下结束，所以转换器设计者可以选择在哪里使其达到峰值，也许是在满载时？或者可能是假定的典型载荷？

问题是，设计者不一定知道系统架构师内置了什么样的负载降额（如果有的话），可以应用什么样的输入电压，如果可以调整，可以设置什么样的输出电压。此外，电力链中的其他转换器，可能来自不同的制造商，几乎可以肯定在不同的设定电压和负载下具有峰值效率。

当谈到电力系统的效率时，目标可能是移动的（不同的负载、输入/输出电压），但目标是在任何一点上创造高效率。

为什么效率随输入/输出电压比变化

值得考虑的是，典型功率转换器的效率如何变化以及为什么会变化。在数据中心直流配电系统中，有“总线”转换器，将更高、可变的电压（可能为40-60V）下变频至规定的12V，为非隔离的“负载点”（PoL）转换器供电，该转换器为终端负载（通常为1V以下）提供最终电压。

总线转换器中的变压器处理输出的基本缩放，但要处理较大的输入变化，开关占空比必须以相同的比例变化。在通常使用的桥接电路中，这意味着单个开关占空比的变化从略低于50%到小于25%，以允许公差、电压浪涌和“停滞时间”。

在低压线路和最大占空比下，平均电流和均方根电流较高，开关通道、磁性绕组和互连中的I2R损耗增加。在高输入和最小占空比下，平均电流低于低线路，均方根值较低，但开关损耗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，因此在高电压下，开关边缘上的任何电流/电压重叠都会产生更高的损耗。输入/输出电容器ESR中的纹波电流和随后的损耗在高压线处也是最高的，例如，电桥两个支路中每个支路的25%占空比仅相当于输入电流传导时间的50%，表示高电容器纹波电流。在低压线路，整体有效占空比接近100%或直流，纹波电流小，ESR损耗低。

负载点转换器可能具有极高的转换比

负载转换器（或稳压器模块）的非隔离点的效率与负载和电压转换比的变化相似，但情况往往更为极端，10:1的比率并不少见，例如从12V到1.2V或10%的工作占空比。当纹波电流设置得很低时，如果高压侧和低压侧开关具有相同的导通电阻，则它们的综合损耗在50%的占空比下达到最大值。

然而，通常允许电感器峰间纹波电流较高，可能是负载电流的50%，以获得更好的环路响应和更小的尺寸。在高转换率下，这会相对增加更多的传导损耗，从而使效率曲线变得“平坦”。

图2是一个示例。低压侧开关可以选择导通电阻较低的开关，以获得一些好处。在图2的示例中，如果低端FET为50而不是100毫欧姆，这将相对减少高占空比下的损耗，这可以再次用于塑造效率曲线。

图2：PoL开关在不同占空比下的电流波形示例，对应于固定输出电压下的高输入电压和低输入电压、5A负载以及10%占空比下的5A pp纹波

多种因素影响效率曲线的形状

其他因素会影响总线和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性损耗和体二极管损耗，因此峰值效率的条件很难确定。这意味着实际上，转换器制造商将测量实际值并提供绘图，或提供模拟工具，如FLEX Power Designer软件。

在分布式DC母线系统中，输入由外部因素设置，最终PoL输出电压是负载所需的电压，但中间电压（通常为12V）可以改变，以找到一个“最佳点”，在该“最佳点”中，特定负载条件下的总效率最大化。为了实现这一点，现代稳压中间总线转换器可以动态编程，通常由PMBus在一定范围内进行编程。

例如，FLEX Power Designer设置为使用FLEX Power模块BMR491总线转换器，以12V输出供电BMR467/469 POL，BMR491上的负载为1100W，POL上的负载约为1000W。该软件的总体效率为88.25%。如果中间母线电压降低至10.3V，则效率变化可忽略不计（图3）。

如果将BMR491输出设置为8V，以尝试发现效率的显著提高，因为POL显示为恒功率设备，则输出电流将增加到137.5A，远远超过BMR491的最大连续额定值108.3A。

图3：FLEX Power Designer软件的屏幕截图，显示了选定母线电压下的系统效率

如果我们现在考虑440W的较轻负载条件，软件计算出12V时效率为86.7%，10.3V时效率为87.6%，8V时效率为88.45%，在最低电压下显著节省1.72%。在8V和440W时，电流为55A，在BMR491额定值范围内。

显然，在这些较轻的负载条件下，降低中间母线电压是有利的，通过PMBus?控制，这可以动态完成，因为BMR491“知道”其输出电流，并可以将其传递给外部控制器，该控制器可以响应降低母线电压的指令。在更先进的系统中，即使PoL/VRM也可以向外部控制器提供实时数据，以便进一步微调。

负载可以快速变化

然而，随着处理需求的变化，负载可以快速上升和下降，因此，如果在轻负载情况下将总线电压设置为较低，为了提高效率，负载可能会突然增加到最大。在BMR491及其控制器对增加电压作出反应之前，电压较低且电流高于中器连续额定值的时间将很短。BMR491可以应对这种情况，因为它的浪涌负载额定值为1850W或155A峰值，因此我们的例子是1100W满载，8V输出产生137.5A，很容易在短时间内满足。

行业中的所有浪涌周期都不相同。有些比另一些短。为了实际有用，建议浪涌周期大于100毫秒。更长的周期也会降低对控制器速度的要求，并可以减少PMBus流量。

总结

效率节约的每一个百分点都是值得的，通过了解功率转换器效率随负载和设定电压变化的详细变化，可以在功率损耗最小化的地方找到系统“最佳点”。FLEX Power Designer软件充分描述了FLEX Power模块产品的特性，因此用户可以“虚拟”探索操作条件，然后在真实世界中，通过数字接口动态控制转换器电压，以跟踪效率曲线中的高点。

作者：Oscar Persson 来源：PSD功率系统设计

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