【導(dǎo)讀】隨著通信量呈指數(shù)級(jí)增長(zhǎng)，電力成本創(chuàng)下歷史新高，數(shù)據(jù)中心能源成本的上限越來(lái)越難控制。雖然系統(tǒng)設(shè)計(jì)人員一直在努力在不按比例增加功耗的情況下獲得更多的數(shù)據(jù)吞吐量，但也面臨著同樣的壓力，需要從電力輸送系統(tǒng)中擠出更好的效率，以減少損失、隨之而來(lái)的成本和冷卻系統(tǒng)開(kāi)銷。功率轉(zhuǎn)換器設(shè)計(jì)師的反應(yīng)是生產(chǎn)效率更高的產(chǎn)品，值得注意的是，盡管自2010年以來(lái)中心工作量增加了約10倍，但到2020年，能源使用基本持平（圖1）。
圖1：即使流量呈指數(shù)級(jí)增長(zhǎng)，數(shù)據(jù)中心的能源使用仍保持不變。資料來(lái)源：IEA
然而，功率轉(zhuǎn)換硬件效率的增量收益越來(lái)越難找到，因此，能源使用及其成本將開(kāi)始遵循指數(shù)流量趨勢(shì)，并產(chǎn)生重大的財(cái)務(wù)影響。
還有一個(gè)杠桿
雖然功率轉(zhuǎn)換器的效率達(dá)到95%+以上，例如，同步整流器和諧振拓?fù)浔粡V泛使用，但還有另一個(gè)杠桿需要拉動(dòng)——輸入和輸出電壓以及負(fù)載電流的不同組合的效率曲線形狀。這永遠(yuǎn)不會(huì)是平坦的（空載時(shí)為零?。┒宜仨氃贗2R損耗開(kāi)始占主導(dǎo)地位的高負(fù)載下結(jié)束，所以轉(zhuǎn)換器設(shè)計(jì)者可以選擇在哪里使其達(dá)到峰值，也許是在滿載時(shí)？或者可能是假定的典型載荷？
問(wèn)題是，設(shè)計(jì)者不一定知道系統(tǒng)架構(gòu)師內(nèi)置了什么樣的負(fù)載降額（如果有的話），可以應(yīng)用什么樣的輸入電壓，如果可以調(diào)整，可以設(shè)置什么樣的輸出電壓。此外，電力鏈中的其他轉(zhuǎn)換器，可能來(lái)自不同的制造商，幾乎可以肯定在不同的設(shè)定電壓和負(fù)載下具有峰值效率。
當(dāng)談到電力系統(tǒng)的效率時(shí)，目標(biāo)可能是移動(dòng)的（不同的負(fù)載、輸入/輸出電壓），但目標(biāo)是在任何一點(diǎn)上創(chuàng)造高效率。
為什么效率隨輸入/輸出電壓比變化
值得考慮的是，典型功率轉(zhuǎn)換器的效率如何變化以及為什么會(huì)變化。在數(shù)據(jù)中心直流配電系統(tǒng)中，有“總線”轉(zhuǎn)換器，將更高、可變的電壓（可能為40-60V）下變頻至規(guī)定的12V，為非隔離的“負(fù)載點(diǎn)”（PoL）轉(zhuǎn)換器供電，該轉(zhuǎn)換器為終端負(fù)載（通常為1V以下）提供最終電壓。
總線轉(zhuǎn)換器中的變壓器處理輸出的基本縮放，但要處理較大的輸入變化，開(kāi)關(guān)占空比必須以相同的比例變化。在通常使用的橋接電路中，這意味著單個(gè)開(kāi)關(guān)占空比的變化從略低于50%到小于25%，以允許公差、電壓浪涌和“停滯時(shí)間”。
在低壓線路和最大占空比下，平均電流和均方根電流較高，開(kāi)關(guān)通道、磁性繞組和互連中的I2R損耗增加。在高輸入和最小占空比下，平均電流低于低線路，均方根值較低，但開(kāi)關(guān)損耗因電路和器件電容在較高電壓下的充放電而增加。
此外，對(duì)于恒定功率，峰值電流在任何占空比下都是恒定的，因此在高電壓下，開(kāi)關(guān)邊緣上的任何電流/電壓重疊都會(huì)產(chǎn)生更高的損耗。輸入/輸出電容器ESR中的紋波電流和隨后的損耗在高壓線處也是最高的，例如，電橋兩個(gè)支路中每個(gè)支路的25%占空比僅相當(dāng)于輸入電流傳導(dǎo)時(shí)間的50%，表示高電容器紋波電流。在低壓線路，整體有效占空比接近100%或直流，紋波電流小，ESR損耗低。
負(fù)載點(diǎn)轉(zhuǎn)換器可能具有極高的轉(zhuǎn)換比
負(fù)載轉(zhuǎn)換器（或穩(wěn)壓器模塊）的非隔離點(diǎn)的效率與負(fù)載和電壓轉(zhuǎn)換比的變化相似，但情況往往更為極端，10:1的比率并不少見(jiàn)，例如從12V到1.2V或10%的工作占空比。當(dāng)紋波電流設(shè)置得很低時(shí)，如果高壓側(cè)和低壓側(cè)開(kāi)關(guān)具有相同的導(dǎo)通電阻，則它們的綜合損耗在50%的占空比下達(dá)到最大值。
然而，通常允許電感器峰間紋波電流較高，可能是負(fù)載電流的50%，以獲得更好的環(huán)路響應(yīng)和更小的尺寸。在高轉(zhuǎn)換率下，這會(huì)相對(duì)增加更多的傳導(dǎo)損耗，從而使效率曲線變得“平坦”。
圖2是一個(gè)示例。低壓側(cè)開(kāi)關(guān)可以選擇導(dǎo)通電阻較低的開(kāi)關(guān)，以獲得一些好處。在圖2的示例中，如果低端FET為50而不是100毫歐姆，這將相對(duì)減少高占空比下的損耗，這可以再次用于塑造效率曲線。
圖2：PoL開(kāi)關(guān)在不同占空比下的電流波形示例，對(duì)應(yīng)于固定輸出電壓下的高輸入電壓和低輸入電壓、5A負(fù)載以及10%占空比下的5A pp紋波
多種因素影響效率曲線的形狀
其他因素會(huì)影響總線和PoL轉(zhuǎn)換器在不同條件下的效率曲線形狀，例如反向恢復(fù)期間的磁性損耗和體二極管損耗，因此峰值效率的條件很難確定。這意味著實(shí)際上，轉(zhuǎn)換器制造商將測(cè)量實(shí)際值并提供繪圖，或提供模擬工具，如FLEX Power Designer軟件。
在分布式DC母線系統(tǒng)中，輸入由外部因素設(shè)置，最終PoL輸出電壓是負(fù)載所需的電壓，但中間電壓（通常為12V）可以改變，以找到一個(gè)“最佳點(diǎn)”，在該“最佳點(diǎn)”中，特定負(fù)載條件下的總效率最大化。為了實(shí)現(xiàn)這一點(diǎn)，現(xiàn)代穩(wěn)壓中間總線轉(zhuǎn)換器可以動(dòng)態(tài)編程，通常由PMBus在一定范圍內(nèi)進(jìn)行編程。
例如，F(xiàn)LEX Power Designer設(shè)置為使用FLEX Power模塊BMR491總線轉(zhuǎn)換器，以12V輸出供電BMR467/469 POL，BMR491上的負(fù)載為1100W，POL上的負(fù)載約為1000W。該軟件的總體效率為88.25%。如果中間母線電壓降低至10.3V，則效率變化可忽略不計(jì)（圖3）。
如果將BMR491輸出設(shè)置為8V，以嘗試發(fā)現(xiàn)效率的顯著提高，因?yàn)镻OL顯示為恒功率設(shè)備，則輸出電流將增加到137.5A，遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過(guò)BMR491的最大連續(xù)額定值108.3A。
圖3：FLEX Power Designer軟件的屏幕截圖，顯示了選定母線電壓下的系統(tǒng)效率
如果我們現(xiàn)在考慮440W的較輕負(fù)載條件，軟件計(jì)算出12V時(shí)效率為86.7%，10.3V時(shí)效率為87.6%，8V時(shí)效率為88.45%，在最低電壓下顯著節(jié)省1.72%。在8V和440W時(shí)，電流為55A，在BMR491額定值范圍內(nèi)。
顯然，在這些較輕的負(fù)載條件下，降低中間母線電壓是有利的，通過(guò)PMBus?控制，這可以動(dòng)態(tài)完成，因?yàn)锽MR491“知道”其輸出電流，并可以將其傳遞給外部控制器，該控制器可以響應(yīng)降低母線電壓的指令。在更先進(jìn)的系統(tǒng)中，即使PoL/VRM也可以向外部控制器提供實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)，以便進(jìn)一步微調(diào)。
負(fù)載可以快速變化
然而，隨著處理需求的變化，負(fù)載可以快速上升和下降，因此，如果在輕負(fù)載情況下將總線電壓設(shè)置為較低，為了提高效率，負(fù)載可能會(huì)突然增加到最大。在BMR491及其控制器對(duì)增加電壓作出反應(yīng)之前，電壓較低且電流高于中器連續(xù)額定值的時(shí)間將很短。BMR491可以應(yīng)對(duì)這種情況，因?yàn)樗睦擞控?fù)載額定值為1850W或155A峰值，因此我們的例子是1100W滿載，8V輸出產(chǎn)生137.5A，很容易在短時(shí)間內(nèi)滿足。
行業(yè)中的所有浪涌周期都不相同。有些比另一些短。為了實(shí)際有用，建議浪涌周期大于100毫秒。更長(zhǎng)的周期也會(huì)降低對(duì)控制器速度的要求，并可以減少PMBus流量。
總結(jié)
效率節(jié)約的每一個(gè)百分點(diǎn)都是值得的，通過(guò)了解功率轉(zhuǎn)換器效率隨負(fù)載和設(shè)定電壓變化的詳細(xì)變化，可以在功率損耗最小化的地方找到系統(tǒng)“最佳點(diǎn)”。FLEX Power Designer軟件充分描述了FLEX Power模塊產(chǎn)品的特性，因此用戶可以“虛擬”探索操作條件，然后在真實(shí)世界中，通過(guò)數(shù)字接口動(dòng)態(tài)控制轉(zhuǎn)換器電壓，以跟蹤效率曲線中的高點(diǎn)。
作者：Oscar Persson 來(lái)源：PSD功率系統(tǒng)設(shè)計(jì)
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