服务器电源设计的五个主要趋势

由于服务器对于处理数据通信至关重要，因此服务器行业与互联网同步呈指数级增长。尽管服务器单元最初是基于PC架构的，但服务器系统必须能够处理日益增长的网络主机数量和复杂性。

显示了数据中心中典型的机架服务器系统以及服务器系统的框图。电源装置 (PSU) 是服务器系统的核心，需要复杂的系统架构。本文将研究五种服务器 PSU 设计趋势：功率预算、冗余、效率、工作温度以及通信和控制。

1. 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 至 300 W 范围内。当时，每个中央处理单元 (CPU) 的功耗在 30 W 至 50 W 范围内。

如今，服务器 CPU 的功耗约为 200 W，热设计功耗接近 300 W，这使得服务器 PSU 的功率预算大大增加至 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，服务器可以包含图形处理单元 (GPU) 与 CPU 一起工作。这一纳入可能会在五年内将服务器的功率需求增加到 3,000 W 以上。然而，由于大多数机架或刀片服务器 PSU 仍然使用额定电流高达 16A 的交流入口，因此它们的功率预算有限：考虑到转换器效率， 240V交流输入时功率预算约为 3,600W。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 额定电流为 20A 的交流电源插座。 PSU 功率预算受到其交流入口额定电流的限制，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 具有更高的功率预算并实现更高的功率密度，您还可以在交流入口处使用母线来增加输入电流额定值。

1. 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 可以接管供电。

一个简单的服务器系统可以具有1+1冗余，这意味着系统中有一个活动电源单元和一个冗余电源单元。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 N+1 或 N+N 系统中多个 PSU 同时供电，因此服务器 PSU 还需要均流技术。

即使 PSU 处于待机模式(不从其主电源轨向输出供电)，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能够最大限度地减少待机功耗。

1. 效率

2000 年代初期的效率规格略高于 65%;当时，服务器 PSU 设计者并没有优先考虑效率。传统转换器拓扑可以轻松满足 65% 的效率目标。但由于服务器需要持续运行，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)要求，有些甚至可以达到80 Plus Platinum(>94%效率)。

目前正在开发的服务器 PSU 主要针对更高的 80 Plus Titanium 规格，该规格要求半负载时峰值效率超过 96%。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 需要实现超过 97.5% 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。

1. 工作温度

在服务器 PSU 热管理方面，设计人员将 PSU AC 入口(风扇所在位置)的环境温度定义为服务器 PSU 工作温度。 2000 年代初，工作温度最高为 45°C，如今达到最高 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(例如硬件设备)相比，随着时间的推移，作为运营支出的能源成本预计将高于资本支出。根据电力使用效率(PUE)标准：

PUE = 数据中心总功率/实际 IT 功率

PUE值越低意味着数据中心效率越高。不同工作温度下PUE值的估算。例如，PUE 为 1.25 的数据中心只能允许其冷却系统消耗总功耗的 10%。这意味着服务器 PSU 需要更高的工作温度。

1. 通讯与控制

多年来，通信和控制在服务器电源中发挥着重要作用。 2000年代初，PSU的内部信息通过系统管理总线接口传输到系统侧。 2007年，电源管理总线(PMBus)接口增加了功能，包括配置、控制、监控和故障管理、输入/输出电流和功率、板温度、风扇速度控制、实时更新代码、过压(电流、温度)和保护。随后，为了满足数据中心电源架日益增长的需求，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的发展而发展。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通信需求，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量，从而有可能降低 PSU 设计和验证阶段的劳动力成本。

服务器电源未来发展趋势

随着服务器功率预算的增长而容量保持不变，功率密度要求将变得更加严格。新开发的服务器 PSU 的功率密度已从 2000 年代初的个位数增加到近 100 W/in 3 。通过拓扑和组件技术的发展来提高转换器效率是实现高功率密度的解决方案。

与电流、功率和效率趋势一样，理想的二极管/ORing 控制器需要在小型封装中提供高电流。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总体组件数量和 PCB 面积。

例如，服务器 PSU 中的 PFC 电路已从无源 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激式转换器发展到软开关电感-电感-电容谐振和相移全桥转换器。非隔离式 DC/DC 转换器已从线性稳压器和磁放大器发展到具有同步整流器的降压转换器。随后整体效率的提高减少了内部功耗和解决热问题所需的工作。

适用于服务器 PSU 的组件技术也不断发展，从 IGBT 和硅 MOSFET 发展到碳化硅 MOSFET 和氮化镓 FET 等宽带隙器件。 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，从而有助于减少 PSU 中使用的磁性组件的数量。

随着工作温度的升高，服务器 PSU 中的组件需要承受更高的热应力，这也推动了电路的发展。例如，传统的实现方式是将机械继电器与电阻器并联，以抑制启动期间的输入浪涌电流。但由于其体积庞大、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。

3.6kW 单相图腾柱无桥 PFC 设计具有 >180W/in 3功率密度，3kW 相移全桥采用有源钳位设计，具有 >270W/in 3功率密度，旨在满足常见的服务器中的冗余电源规格。

在 3.6 kW PFC 设计中，固态继电器可适应高工作温度。此处，LMG3522R030 GaN FET 支持使用无桥图腾柱 PFC 拓扑。 “婴儿升压”减少了大容量电容器的体积，以获得更高的功率密度。

在 3kW 相移全桥设计中，LMG3522R030 GaN FET 有助于降低循环电流，并可实现软开关。有源钳位电路充当无损缓冲器，可实现更高的转换器效率和更低的同步整流器电压应力。上述所有控制要求均通过C2000单片机作为数字控制处理器来实现。