功率密度占主导地位的服务器设计：展望为2016

06月2015日

马丁Hägerdal，总裁，爱立信电源模块着眼于改进服务器电源效率的要求不断。

未来一年，2016，将看到服务器处理器到芯片和最新的DDR4低压记忆支持超过20个人的核心。设计师将工作在服务器上，采用30个核心处理器。许多系统将夫妇这一卷的核心设备与其他处理器架构，以最大限度地提高吞吐量的数据中心和通信应用。

作为通信厂商使用的数据中心架构，以推动迁移到软件定义的网络，这两家行业的融合。现场可编程门阵列的掺入（FGPAs），图形处理单元（GPU）和定制的加速器和许多核心的中央处理单元（CPU）是越来越注重能源效率的数据中心和通信应用的一个症状。该设计不仅需要高能量密度、低电压，但精确控制每个电压轨和控制多轨独立的负载点（POL）的能力。

因为降低电源电压低于1V，高电流水平现在是不可避免的，这地方强烈的压力对POL DC-DC转换器供电的系统芯片（SoC）的性能，无论是在稳态和瞬态的适应条件。

在一个地区或一个单一的DC-DC变换器是不足以保证性能优化。由于高电流的水平，多个转换器需要一起工作，很容易适应目标系统的具体要求。

电源轨

一些轨道需要非常高的电流水平，要求多个DC-DC变换器利用相位的传播技术最大化的功率耦合效率。相移多转换器的输出，负载可以不产生电磁干扰的高峰，可以用单相开关架构发生拉高峰值电流。相位扩频允许在较低的系统活动期间，当电流要求下降时，可以在较低的负载下提高效率。这是至关重要的许多核心系统，操作系统将关闭未使用的内核，节省能源，激活他们的软件需求的变化。

是什么使它能够实现在多厂商环境下效率高是向数字控制的发展趋势。同样一个普通的数字协议–互联网协议–使各种系统之间提供交流，与DC-DC变换器常用的数字语言。反过来通过PMBus，沟通，提供系统管理单元，每个机架中的功率器件之间的紧密联系。

数字电源控制

数字控制的能力将进一步融入到DC-DC转换器的核心。直到最近，转换器设计采用模拟的核心。模拟控制提供了一种合理高效、低成本的部署转换模式，取代了更为密集的线性结构。

图1数字功率控制

大多数开关模式转换器采用脉冲宽度调制（脉宽调制），其中一个控制器采样输出电压，并比较此基准电压产生的误差信号。这反过来是相比，从振荡器产生一个斜坡波形的输出。当斜坡信号传递的误差电压，负责充电电感MOSFET接通，反过来，关闭时斜坡的单落在另一个方向。当电压上升时，当电压上升而下降时，当电压上升时，通过电感的电流脉冲传递到负载的宽度。

效率

虽然它已被证明有效的几十年来，模拟脉宽调制控制已达到其极限。稳定是一个关键问题，在设计的控制回路的任何模拟脉宽调制为基础的转换器。但这种稳定性是在成本的灵活性和响应性。基于模拟控制技术的开关电源通常使用补偿网络来调整环路的频率响应，使它们能够在不影响稳定的情况下实现良好的暂态响应。设计这个补偿网络可以是一个耗时的练习，在试验和错误。

图2：在低负载条件下，数字电源对提高效率尤其有效（来源于十月2014）

从长期来看，由于温度或设备老化的变化，补偿网络的性能会引起漂移。为补偿元件焊接的地方，有一点是可以做调整的网络行为时，老化的影响持。在生产过程中，有小范围的调整电源转换器架构，这是有问题的今天的生产过程中，灵活性是关键。

数字处理可以提供DC-DC调节更为敏感的算法，允许广泛的控制算法策略的探索。这是更容易调整到目标功率应用的特定需求，因为大部分的调整可以进行使用软件。更先进的控制技术，还可以减小输出滤波元件和优化空间在PCB上的数量，一个关键的因素时，多个DC-DC变换器需要并行部署，支持电流500A以上水平的单刃。

软件

随着数字控制，该软件可以使用的转换器的电子和负载的模型更紧密地分析系统的需求。模型和行为，确保更精确的控制和之间的密切配合的结果，在DC-DC变换器如bmr46x序列的情况下，可以减少外部无源元件。系统级属性，如容许纹波电流可以估计和调整使用爱立信电源设计师（EPD）的软件工具，使最合适的滤波电容器的选择。

在系统中的电力转换器之间的合作需要有助于标准，如由现代电力（放大器）的财团，其中爱立信是一个创始人成员的建筑师。该联盟的目的是创造一个肥沃的生态系统，简单，直观，高效的多源电源解决方案的基础上，数字技术。

在更大的灵活性，在中间总线架构，支持更多的动态行为的服务器刀片将越来越多地反映了更大的灵活性。转向动态总线电压（DBV）控制调节功率包络来满足不断变化的负载条件下以最高效的方式提供了可能性。DBV通过响应负荷的变化改变中间总线电压。先进的数字电源控制和优化硬件结合软件的一系列算法能够有效地实现平均成本。

随着每一个创新，电力架构准备迎接2016的挑战，并进一步成为未来高密度的许多核心系统成为我们的数字世界的核心。