電源解決方案更密集的服務器

密度已成為計算機服務器的設計的一個重要因素。摩爾定律已經(jīng)使人們有可能將多個高性能內(nèi)核到一個單一的系統(tǒng)級芯片(SoC)器件以及支持邏輯。高密度的現(xiàn)場可編程門陣列(FPGA)提供了進一步的可能性應用加速和集成。

其結(jié)果是部署在每個邏輯板系統(tǒng)內(nèi)，提供強大的計算潛能多個高性能SoC組件。然而，推動更高的集成度的變化，工藝技術產(chǎn)生了連鎖反應對服務器中的配電影響。

處理器和FPGA設計團隊已減少的電源電壓低至1V或以下的核心邏輯由于采用較高的電壓將導致?lián)p壞的高速晶體管。在1.8 V至3 V電壓范圍僅用于I / O存儲器和外設。這已經(jīng)導致需要更高的電流水平需要被傳遞到處理器和FPGA相比是的情況下的十年前的情況。這種趨勢是排除了使用傳統(tǒng)電源轉(zhuǎn)換架構(gòu)。高電流的需求通常會指向使用能夠處理高負荷和壓力較大的無源元件。然而，這樣的大部件逆潮流致密服務器，減少的用于電源轉(zhuǎn)換電路可用的PCB空間的量。其結(jié)果，電力轉(zhuǎn)換器適合于服務器的制造商已經(jīng)改變了他們的設計方法。

一個趨勢是增加的開關頻率，以降低峰值電流需求，這有助于保持無源元件的尺寸如電容器到最小，盡管需要仔細的設計技術，以減少開關損耗的影響。

今天，以建立一個服務器的最有效的方法是采用分布式電源結(jié)構(gòu)，其中一個或多個前端的PSU電源電流的中間和點的負載(POL)樹的DC / DC轉(zhuǎn)換器。配電電壓比，以盡量減少損失的電纜所要求的處理器和FPGA更高。須制備的關鍵的決定是配電電壓需要被設置在該水平。

POL電源電壓為1伏或更小的減少已經(jīng)導致需要變換器設計者處理大的輸入/輸出比率，甚至具有12 V.為了支持整個機架下部損失常用配電電壓，制造商正在尋求在兩個階段的轉(zhuǎn)化率，使用高電壓如24伏，36伏或甚至是48伏中常用的電信交換機，轉(zhuǎn)換至12伏或5伏在板上，與最后的POL變換器提供所述子1 V所需要的核心邏輯。然而，通過支持更大的比例，一些POL為導向的產(chǎn)品可支持更高的中間電壓，無需二次轉(zhuǎn)化階段。

單，雙級選擇圖片

圖1：單和兩階段選擇中間功率分布。

該Picor PI33XX冷電源降壓穩(wěn)壓器系列以Vicor的制作采用了高性能的零電壓開關(ZVS)拓撲結(jié)構(gòu)提供電源效率高達98%。使用ZVS拓撲使得能夠最小化與使用硬開關拓撲常規(guī)降壓調(diào)節(jié)器相關聯(lián)的開關損耗高頻動作。在PI33XX系列的高開關頻率也降低了外部濾波元件的尺寸，提高功率密度，同時實現(xiàn)快速的動態(tài)響應線路和負載瞬變。該PI33XX降壓型穩(wěn)壓器可以將輸入電壓范圍為8 V至36 V的輸出電壓從1 V至16 V和輸出電流高達10A的功率輸送高達120 W.

在PI33XX系列產(chǎn)品高度和控制電路，功率半導體和支持組件在一個10×1×2.56毫米系統(tǒng)級封裝(SiP)集成。電力輸送可以進一步提高使用單線電流共享無需額外的元件交織多達六個PI33XX降壓調(diào)節(jié)器。該PI33XX系列降壓穩(wěn)壓器只需要一個外部電感和最小的陶瓷電容，輸入和輸出濾波，形成一個完整的高性能的穩(wěn)壓器。沒有頻率補償，參數(shù)設置或增加外部元件。 -40°C至125°C的寬工作溫度范圍內(nèi)允許使用在幾乎任何環(huán)境。

Picor冷電源的圖像(點擊查看全尺寸)

圖2：設備，如Picor酷功耗表現(xiàn)出高集成度。

為客戶提供高效率的小型封裝的最小輸出電容，在第3代SupIRBuck系列的國際整流器采用專有調(diào)制器方案可實現(xiàn)在高頻和高帶寬的操作需要提供良好的瞬態(tài)jitter-和無噪音運行反應。產(chǎn)品如12一IR3894可以輸入電壓少則1 V至21 V和提供低于1 V的輸出，下降到0.5 V時，支持最新的SoC。開關頻率可在300kHz到1.5MHz的高靈活性的所有道路。的IR3894打包在一個低輪廓5×6毫米的QFN。像其他產(chǎn)品在家庭，低輪廓和良好的熱性能，從而允許使用未經(jīng)散熱器裝置，該裝置可安裝在印刷電路板的背面，為處理器和支持邏輯上的前側(cè)更多的空間。對于SupIRBuck系列整體的成員相比，相比分立式解決方案替代集成解決方案和60%，紅外聲稱可節(jié)約20%的空間的PCB空間方面。

適于與5伏或12伏中間使用時，Enpirion的EN2392QI從Altera公司是一系列用于與高密度FPGA使用功率轉(zhuǎn)換器中的一個。該Enpirion公司架構(gòu)采用高速MOSFET技術支持兆赫開關頻率。該EN2392QI集成了控制器，功率MOSFET，補償網(wǎng)絡和電感在11毫米×10毫米封裝，為235平方毫米的整體解決方案領域，一旦外部元件都包括在內(nèi)，并提供了超過在寬負載范圍內(nèi)90%的效率 - 從3 A到超過8 A.

可以有限制的開關頻率可以在多大程度上提高之前，開關損耗將成為轉(zhuǎn)換器的整體功率損耗。除了一個臨界頻率，效率將開始下降。多相或多相拓撲提供解決此問題的方法。在這個架構(gòu)中，轉(zhuǎn)換器分離電路分成兩個或多個階段。各相是負責提供所需的負載的總功率的一小部分。加入相使得可以兌現(xiàn)的高頻動作的承諾而不降低實際開關周期。有效的工作頻率是有效的基本開關頻率乘以相數(shù)?？偟男Ч歉纳扑矐B(tài)響應和切割波紋，而不會產(chǎn)生運行的問題在較高基頻。

由配線一起轉(zhuǎn)換器，與Picor冷功率器件，它有可能使用多相工作以提高整體的功率水平在高開關速度。多相兼容裝置的一個例子是所述的凌力爾特LTM4630，雙輸出的獨立非隔離開關模式DC / DC電源。它可以提供兩個18 A輸出相對較少的外部輸入和輸出電容和安裝組件。

該模塊提供精確調(diào)節(jié)輸出電壓通過外部電阻從0.6伏到1.8伏超過4.5 V至15 V輸入電壓可編程的，它的適合于使用兩階段中間總線架構(gòu)的服務器設計。該LTM4630具有雙集成恒定頻率電流模式穩(wěn)壓器和優(yōu)化在500 kHz的頻率范圍內(nèi)切換內(nèi)置功率MOSFET器件。

通過連接多個銷裝置之間和編程的相位控制引腳不同水平的每個，最多十二個階段跨越六個器件可以級聯(lián)到相對于彼此同時運行。由于服務器處理器往往會掉電輕負荷，高效率可與可選的突發(fā)模式操作或脈沖跳躍操作使用控制引腳這些條件下實現(xiàn)的。

凌力爾特LTM4630圖片

圖3：采用凌力爾特LTM4630四相配置。

通過集中先進的控制和新穎的SIP技術，功率變換器設計者正在幫助增加計算機服務器的密度，并允許更多的性能被包裝成一個小的空間，而不犧牲效率。在MOSFET技術和控制算法的進一步改善可能會看到進一步的效率和散熱的改進。