由于服務器對于處理數(shù)據(jù)通信至關重要，因此服務器行業(yè)與互聯(lián)網(wǎng)同步呈指數(shù)級增長。盡管服務器單元最初是基于PC架構的，但服務器系統(tǒng)必須能夠處理日益增長的網(wǎng)絡主機數(shù)量和復雜性。

　　顯示了數(shù)據(jù)中心中典型的機架服務器系統(tǒng)以及服務器系統(tǒng)的框圖。電源裝置 (PSU) 是服務器系統(tǒng)的核心，需要復雜的系統(tǒng)架構。本文將研究五種服務器 PSU 設計趨勢：功率預算、冗余、效率、工作溫度以及通信和控制。

　　1. 功率預算

　　在21世紀初，機架或刀片服務器 PSU 的功率預算在 200 W 至 300 W 范圍內。當時，每個中央處理單元 (CPU) 的功耗在 30 W 至 50 W 范圍內。

　　如今，服務器 CPU 的功耗約為 200 W，熱設計功耗接近 300 W，這使得服務器 PSU 的功率預算大大增加至 800 W 至 2,000 W。為了支持越來越多的服務器計算需求，例如互聯(lián)網(wǎng)上的云計算和人工智能 (AI) 計算，服務器可以包含圖形處理單元 (GPU) 與 CPU 一起工作。這一納入可能會在五年內將服務器的功率需求增加到 3,000 W 以上。然而，由于大多數(shù)機架或刀片服務器 PSU 仍然使用額定電流高達 16A 的交流入口，因此它們的功率預算有限：考慮到轉換器效率， 240V交流輸入時功率預算約為 3,600W。因此，短期內 3,600 W 仍將是服務器機架 PSU 的功率限制。

　　對于數(shù)據(jù)中心電源架，服務器 PSU 設計人員廣泛應用國際電工委員會 (IEC) 60320 C20 額定電流為 20A 的交流電源插座。 PSU 功率預算受到其交流入口額定電流的限制，在當今的數(shù)據(jù)中心 PSU 中允許大約 3,000 W;但在不久的將來，數(shù)據(jù)中心 PSU 的功率水平可能會增加到 5,000 W 以上。為了允許每個 PSU 具有更高的功率預算并實現(xiàn)更高的功率密度，您還可以在交流入口處使用母線來增加輸入電流額定值。

　　1. 冗余

　　服務器系統(tǒng)中可靠性和可用性的重要性需要冗余 PSU。如果一個或多個 PSU 發(fā)生故障，系統(tǒng)中的其他 PSU 可以接管供電。

　　一個簡單的服務器系統(tǒng)可以具有1+1冗余，這意味著系統(tǒng)中有一個活動電源單元和一個冗余電源單元。復雜的服務器系統(tǒng)可能具有 N+1 或 N+N (N>2) 冗余，具體取決于系統(tǒng)可靠性和成本考慮。為了在需要更換PSU時保持系統(tǒng)正常運行，系統(tǒng)需要熱插拔(ORing控制)技術。由于 N+1 或 N+N 系統(tǒng)中多個 PSU 同時供電，因此服務器 PSU 還需要均流技術。

　　即使 PSU 處于待機模式(不從其主電源軌向輸出供電)，仍然需要在熱插拔事件后立即提供全功率，因此需要不斷激活功率級。為了降低冗余電源在待機模式下的功耗，“冷冗余”功能正在成為一種趨勢。冷冗余的目的是關閉主電源運行或以突發(fā)模式運行，使冗余PSU能夠最大限度地減少待機功耗。

　　1. 效率

　　2000 年代初期的效率規(guī)格略高于 65%;當時，服務器 PSU 設計者并沒有優(yōu)先考慮效率。傳統(tǒng)轉換器拓撲可以輕松滿足 65% 的效率目標。但由于服務器需要持續(xù)運行，更高的效率可以大大降低總體擁有成本。

　　自2004年以來，80 Plus標準為PC和服務器PSU系統(tǒng)提供了可實現(xiàn)80%以上效率的認證。目前量產(chǎn)的服務器電源大多達到80 Plus Gold(>92%效率)要求，有些甚至可以達到80 Plus Platinum(>94%效率)。

　　目前正在開發(fā)的服務器 PSU 主要針對更高的 80 Plus Titanium 規(guī)格，該規(guī)格要求半負載時峰值效率超過 96%。此外，根據(jù)數(shù)據(jù)中心 PSU 遵循的開放計算項目 (OCP) 開放式機架規(guī)范，PSU 需要實現(xiàn)超過 97.5% 的峰值效率。因此，無橋功率因數(shù)校正 (PFC) 和軟開關轉換器等新拓撲，以及碳化硅 (SiC) 和氮化鎵 (GaN) 等寬帶隙技術可以幫助 PSU 實現(xiàn) 80 Plus Titanium 和開放計算效率目標。

　　1. 工作溫度

　　在服務器 PSU 熱管理方面，設計人員將 PSU AC 入口(風扇所在位置)的環(huán)境溫度定義為服務器 PSU 工作溫度。 2000 年代初，工作溫度最高為 45°C，如今達到最高 55°C，具體取決于服務器機房的冷卻系統(tǒng)。

　　較高的工作溫度可降低服務器冷卻系統(tǒng)的能源成本。與數(shù)據(jù)中心的資本支出(例如硬件設備)相比，隨著時間的推移，作為運營支出的能源成本預計將高于資本支出。根據(jù)電力使用效率(PUE)標準：

　　PUE = 數(shù)據(jù)中心總功率/實際 IT 功率

　　PUE值越低意味著數(shù)據(jù)中心效率越高。不同工作溫度下PUE值的估算。例如，PUE 為 1.25 的數(shù)據(jù)中心只能允許其冷卻系統(tǒng)消耗總功耗的 10%。這意味著服務器 PSU 需要更高的工作溫度。

　　1. 通訊與控制

　　多年來，通信和控制在服務器電源中發(fā)揮著重要作用。 2000年代初，PSU的內部信息通過系統(tǒng)管理總線接口傳輸?shù)较到y(tǒng)側。 2007年，電源管理總線(PMBus)接口增加了功能，包括配置、控制、監(jiān)控和故障管理、輸入/輸出電流和功率、板溫度、風扇速度控制、實時更新代碼、過壓(電流、溫度)和保護。隨后，為了滿足數(shù)據(jù)中心電源架日益增長的需求，控制器局域網(wǎng)總線 (CANBus) 成為服務器電源通信的一部分。

　　電源管理控制器也隨著通信總線的發(fā)展而發(fā)展。在 2000 年代初期，模擬控制器主要控制服務器 PSU。隨著越來越多的控制需求增加了通信需求，使用數(shù)字控制器實現(xiàn)這些需求變得更加容易。使用數(shù)字控制還可以減少硬件工程師的調試工作量，從而有可能降低 PSU 設計和驗證階段的勞動力成本。

　　服務器電源未來發(fā)展趨勢

　　隨著服務器功率預算的增長而容量保持不變，功率密度要求將變得更加嚴格。新開發(fā)的服務器 PSU 的功率密度已從 2000 年代初的個位數(shù)增加到近 100 W/in 3 。通過拓撲和組件技術的發(fā)展來提高轉換器效率是實現(xiàn)高功率密度的解決方案。

　　與電流、功率和效率趨勢一樣，理想的二極管/ORing 控制器需要在小型封裝中提供高電流。理想的二極管/ORing 控制器還必須集成監(jiān)控、故障處理和瞬態(tài)處理等功能，以減少實現(xiàn)這些功能所需的總體組件數(shù)量和 PCB 面積。

　　例如，服務器 PSU 中的 PFC 電路已從無源 PFC 發(fā)展到有源橋 PFC，再到有源無橋 PFC。隔離式 DC/DC 轉換器已從硬開關反激式和正激式轉換器發(fā)展到軟開關電感-電感-電容諧振和相移全橋轉換器。非隔離式 DC/DC 轉換器已從線性穩(wěn)壓器和磁放大器發(fā)展到具有同步整流器的降壓轉換器。隨后整體效率的提高減少了內部功耗和解決熱問題所需的工作。

　　適用于服務器 PSU 的組件技術也不斷發(fā)展，從 IGBT 和硅 MOSFET 發(fā)展到碳化硅 MOSFET 和氮化鎵 FET 等寬帶隙器件。 IGBT 和硅 MOSFET 的非理想開關特性將開關頻率限制在 200 kHz 以下。雖然寬帶隙器件的開關特性更接近理想開關，但使用寬帶隙器件可以實現(xiàn)更高的開關頻率，從而有助于減少 PSU 中使用的磁性組件的數(shù)量。

　　隨著工作溫度的升高，服務器 PSU 中的組件需要承受更高的熱應力，這也推動了電路的發(fā)展。例如，傳統(tǒng)的實現(xiàn)方式是將機械繼電器與電阻器并聯(lián)，以抑制啟動期間的輸入浪涌電流。但由于其體積龐大、可靠性問題和較低的額定溫度，固態(tài)繼電器現(xiàn)在正在取代服務器 PSU 中的機械繼電器。

　　3.6kW 單相圖騰柱無橋 PFC 設計具有 >180W/in 3功率密度，3kW 相移全橋采用有源鉗位設計，具有 >270W/in 3功率密度，旨在滿足常見的服務器中的冗余電源規(guī)格。

　　在 3.6 kW PFC 設計中，固態(tài)繼電器可適應高工作溫度。此處，LMG3522R030 GaN FET 支持使用無橋圖騰柱 PFC 拓撲。 “嬰兒升壓”減少了大容量電容器的體積，以獲得更高的功率密度。

　　在 3kW 相移全橋設計中，LMG3522R030 GaN FET 有助于降低循環(huán)電流，并可實現(xiàn)軟開關。有源鉗位電路充當無損緩沖器，可實現(xiàn)更高的轉換器效率和更低的同步整流器電壓應力。上述所有控制要求均通過C2000單片機作為數(shù)字控制處理器來實現(xiàn)。