云计算中的电源系统设计

云计算已成为一个家喻户晓的术语，在技术领域中的重要性和吸引力越来越大。简单地说，云是指通过互联网提供的任何业务。云计算背后的概念是创建一个无处不在的基础设施，以实现对数据和信息的快速、可扩展访问。虽然大多数人将云定义和解释为大型公共网络，但也有私有云业务，这些业务可提供有限访问和权限的安全专有网络。

大多数消费者通过前端接入与云进行交互。云的前端包括软件、应用程序、图形用户界面和存储等。为了支持大量可选的前端用户界面，云需要一个重要的后端基础设施，包括电源、服务器、数据存储和计算机。随着前端云服务需求的不断增长，后端系统也必须具有可升级性和可扩展性。

云电源电压转换

大多数数据中心机架使用额定电压为220V的不间断电源(UPS)，每个机架的额定功率接近100kW。考虑到大多数核心处理器的额定电压低于2V，一般需要将高电压进行转换和分配。此外，更高的额定功率表明需要以最高效率重新路由大电流，以最大限度地减少功耗和发热量。大多数服务器机架都有一个48V的背板电源。它是机架中每台服务器(也称为服务器刀片)的主要电源。

图1：从交流电源到服务器背板的框图。资料来源：安森美

值得一提的是，48V一直是电信和网络基础设施中的标准电源。选择48V的原因是人们通常认为48V是对人体无害的最高电压。一般来说，需要使用超过48V电压的设备必须提供双重绝缘性能，并具有额外的、严格的安全要求。此外，转换超过48V的电压需要采取接地隔离措施以保护设备及操作人员。

48V与12V之争

业界围绕48V服务器电源展开了大量讨论和实验。大多数计算机和服务器平台中的内部电源是12V。这是旧的硅技术以及用于非易失性存储的硬盘驱动器、冷却风扇和计算平台中的其他组件的传统要求。CPU功耗随着每一代处理器的升级会显着增加，而更大的CPU电流负载又导致了更高的12V输入电流。

这种更高的电流需求反过来要求更粗的电缆或总线来分配12V电压，而更高的12V电流又导致更大的分配损耗。功耗还会产生热量，这是高密度计算的大敌，因为它会缩短设备寿命并造成系统不稳定。解决这种功耗的一种方法是将48V机架电源引入服务器本身，并引入专用的48V电源转换器。

与12V电源相比，48V电源可以用四分之一的电流为负载提供相同的功率，并将传导路径中的功耗降低16倍。这种对系统效率的显著提高也带来了一些挑战。12V电源解决方案经过多代优化，效率是非常高的。另一方面，对于CPU内核电压来说，所用的电源电压越高，需要的压降也越大，这会导致功率转换阶段的效率较低。另外还需要更高电压的硅技术，对于MOSFET架构，单位面积的电阻往往更高，这也会增加系统成本。

这些系统挑战也催生了各种创新和先进架构。最有前途的新的电源转换技术之一是图2所示的开关式储能电容(STC)转换器。这种转换器具有极高的效率，并且在大多数情况下具有更小的电路面积。根据设计人员和整体系统架构的选择，单级或多级转换解决方案都已被证明是成功的。

图2：开关式储能电容(STC)转换器有单级和多级设计之分。来源：安森美。

特定的中间电压因芯片供应商而异，通常根据特定的技术要求进行选择。最高效和得到广泛选择的整体解决方案是使用48V降至12V、再降至1V的方案为CPU内核供电。这种方法通过利用成熟的解决方案和调节净压降来最大程度地提高总体系统效率(图3)。

图3：48V至1V两级转换器为CPU内核供电原理图。

智能功率电路

大电流DC-DC电源转换器通常采用多相拓扑。每相通常包括两个采用高侧和低侧半桥配置的MOSFET和一个电感。高侧和低侧MOSFET封装在一起可提高功率密度，通常被称为功率级电路。多相协同工作以提供所需的输出负载，并由智能多相控制器加以控制。

图4：采用16相电路提供1V CPU电源的转换器设计方框图。

每个相位的切换必须交错开来，并仔细加以控制，以优化负载调节、纹波、瞬态响应和包括辐射与传导在内的噪声产生。针对特定一代的CPU，每个功率级电路的相数和电流都进行了仔细优化。市场人士发现，所需的相数在快速增加，而且每个功率级电路中的电流密度越来越高。最先进的多相转换器采用的相数多达16个，总输出功率轻松超过1,000W(图4)。

先进CPU需要极高功率密度的一个副产品是对极高效率和严格负载调节的需求。CPU/ASIC中采用的先进深亚微米硅技术需要严格的电压容差才能正常工作。这就要求功率电路不仅要提供低功耗，还要提供“智能”功能，包括电流、温度和故障报告。

图5：强调智能功能需求的不同功率电路的效率比较。

通过向多相控制器报告准确的相电流和温度，整个电源就能够向CPU提供所需的电压调节性能。MOSFET技术的进步在提高每一代功率电路的效率方面也发挥着至关重要的作用。图5显示了一个更具体的效率提升案例。设计人员需要平衡成本、峰值效率和最大负载效率，精心设计和制造，优化效率和可靠性，才能以实现最佳的整体设计。

（参考原文： A short tutorial on power system designs in cloud computing ）

本文为《电子工程专辑》2022年2月刊杂志文章，版权所有，禁止转载。点击申请免费杂志订阅