【導讀】隨著通信量呈指數級增長，電力成本創下歷史新高，數據中心能源成本的上限越來越難控制。雖然系統設計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據吞吐量，但也面臨著同樣的壓力，需要從電力輸送系統中擠出更好的效率，以減少損失、隨之而來的成本和冷卻系統開銷。功率轉換器設計師的反應是生產效率更高的產品，值得注意的是，盡管自2010年以來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：即使流量呈指數級增長，數據中心的能源使用仍保持不變。資料來源：IEA
然而，功率轉換硬件效率的增量收益越來越難找到，因此，能源使用及其成本將開始遵循指數流量趨勢，并產生重大的財務影響。
還有一個杠桿
雖然功率轉換器的效率達到95%+以上，例如，同步整流器和諧振拓撲被廣泛使用，但還有另一個杠桿需要拉動——輸入和輸出電壓以及負載電流的不同組合的效率曲線形狀。這永遠不會是平坦的（空載時為零！）而且它必須在I2R損耗開始占主導地位的高負載下結束，所以轉換器設計者可以選擇在哪里使其達到峰值，也許是在滿載時？或者可能是假定的典型載荷？
問題是，設計者不一定知道系統架構師內置了什么樣的負載降額（如果有的話），可以應用什么樣的輸入電壓，如果可以調整，可以設置什么樣的輸出電壓。此外，電力鏈中的其他轉換器，可能來自不同的制造商，幾乎可以肯定在不同的設定電壓和負載下具有峰值效率。
當談到電力系統的效率時，目標可能是移動的（不同的負載、輸入/輸出電壓），但目標是在任何一點上創造高效率。
為什么效率隨輸入/輸出電壓比變化
值得考慮的是，典型功率轉換器的效率如何變化以及為什么會變化。在數據中心直流配電系統中，有“總線”轉換器，將更高、可變的電壓（可能為40-60V）下變頻至規定的12V，為非隔離的“負載點”（PoL）轉換器供電，該轉換器為終端負載（通常為1V以下）提供最終電壓。
總線轉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，開關占空比必須以相同的比例變化。在通常使用的橋接電路中，這意味著單個開關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，開關通道、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，但開關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，開關邊緣上的任何電流/電壓重疊都會產生更高的損耗。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，電橋兩個支路中每個支路的25%占空比僅相當于輸入電流傳導時間的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。
負載點轉換器可能具有極高的轉換比
負載轉換器（或穩壓器模塊）的非隔離點的效率與負載和電壓轉換比的變化相似，但情況往往更為極端，10:1的比率并不少見，例如從12V到1.2V或10%的工作占空比。當紋波電流設置得很低時，如果高壓側和低壓側開關具有相同的導通電阻，則它們的綜合損耗在50%的占空比下達到最大值。
然而，通常允許電感器峰間紋波電流較高，可能是負載電流的50%，以獲得更好的環路響應和更小的尺寸。在高轉換率下，這會相對增加更多的傳導損耗，從而使效率曲線變得“平坦”。
圖2是一個示例。低壓側開關可以選擇導通電阻較低的開關，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開關在不同占空比下的電流波形示例，對應于固定輸出電壓下的高輸入電壓和低輸入電壓、5A負載以及10%占空比下的5A pp紋波
多種因素影響效率曲線的形狀
其他因素會影響總線和PoL轉換器在不同條件下的效率曲線形狀，例如反向恢復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。這意味著實際上，轉換器制造商將測量實際值并提供繪圖，或提供模擬工具，如FLEX Power Designer軟件。
在分布式DC母線系統中，輸入由外部因素設置，最終PoL輸出電壓是負載所需的電壓，但中間電壓（通常為12V）可以改變，以找到一個“最佳點”，在該“最佳點”中，特定負載條件下的總效率最大化。為了實現這一點，現代穩壓中間總線轉換器可以動態編程，通常由PMBus在一定范圍內進行編程。
例如，FLEX Power Designer設置為使用FLEX Power模塊BMR491總線轉換器，以12V輸出供電BMR467/469 POL，BMR491上的負載為1100W，POL上的負載約為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（圖3）。
如果將BMR491輸出設置為8V，以嘗試發現效率的顯著提高，因為POL顯示為恒功率設備，則輸出電流將增加到137.5A，遠遠超過BMR491的最大連續額定值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效率
如果我們現在考慮440W的較輕負載條件，軟件計算出12V時效率為86.7%，10.3V時效率為87.6%，8V時效率為88.45%，在最低電壓下顯著節省1.72%。在8V和440W時，電流為55A，在BMR491額定值范圍內。
顯然，在這些較輕的負載條件下，降低中間母線電壓是有利的，通過PMBus?控制，這可以動態完成，因為BMR491“知道”其輸出電流，并可以將其傳遞給外部控制器，該控制器可以響應降低母線電壓的指令。在更先進的系統中，即使PoL/VRM也可以向外部控制器提供實時數據，以便進一步微調。
負載可以快速變化
然而，隨著處理需求的變化，負載可以快速上升和下降，因此，如果在輕負載情況下將總線電壓設置為較低，為了提高效率，負載可能會突然增加到最大。在BMR491及其控制器對增加電壓作出反應之前，電壓較低且電流高于中器連續額定值的時間將很短。BMR491可以應對這種情況，因為它的浪涌負載額定值為1850W或155A峰值，因此我們的例子是1100W滿載，8V輸出產生137.5A，很容易在短時間內滿足。
行業中的所有浪涌周期都不相同。有些比另一些短。為了實際有用，建議浪涌周期大于100毫秒。更長的周期也會降低對控制器速度的要求，并可以減少PMBus流量。
總結
效率節約的每一個百分點都是值得的，通過了解功率轉換器效率隨負載和設定電壓變化的詳細變化，可以在功率損耗最小化的地方找到系統“最佳點”。FLEX Power Designer軟件充分描述了FLEX Power模塊產品的特性，因此用戶可以“虛擬”探索操作條件，然后在真實世界中，通過數字接口動態控制轉換器電壓，以跟蹤效率曲線中的高點。
作者：Oscar Persson 來源：PSD功率系統設計
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