近年来,随着因特网服务需求量的显著增长,全球数据中心的电力消耗已经成为一个重要的问题。数据中心可编排网页、实现社会网络和流媒体服务、提供音乐和视频下载、提供互联网访问以及运行仿真。另外,它们还为银行及其它金融业务的传统和私人用户提供了计算能力。数据中心常常占据多间房屋、多个楼层甚至整幢大楼,包含计算机、存储和网络设备。在 2000 年~2005 年间,数据中心的总用电量翻了一番 ── 从每年 700 亿度增加到了 1400 亿度,并继续以 16.7% 的平均增长率逐年攀升,而亚太地区 (不包括日本)是世界上仅有的一个远远超过该平均增长率的主要地区(资料来源:“Worldwide electricity used in data centers”,Jonathan Koomey 撰文,美国劳伦斯伯克力国家实验室,2008 年)。
数据中心所采用的计算机 (常称为服务器) 与 PC 架构相似,具有一个 CPU、ASIC、FPGA 和存储器。然而,与 PC 不同的是,数据中心里的服务器尽可能紧密地组合在一起且耗用大量的电力,因而产生了必须散逸的热量。功率通过不间断电源系统 (UPS) 输送至这些服务器,其后通常设有一个分布式电源系统和用于负载点 (POL) 供电的降压型 DC/DC 转换器。此类功率输送方法的效率达不到 100%,而且会产生大量的热量。必须谨慎和持续不断地管理这些热量,以使系统在其规定的工作温度范围内运行。无论冷却系统的类型和效率如何,都必须采取某种方法将热量从数据中心去除。而要做到这一点,就必需使用额外的能量来运作冷却设施。
据估计,由于低效率和冷却系统所造成数据中心增加额外功耗与服务器、存储和网络设备所消耗的功率量大致相等。单台 PC、工作站或笔记本电脑的用户并不会把系统发热看作一个问题,但对于数据中心而言,管理这种热开销的重要性丝毫不亚于服务器本身。如果降低了系统功率,那么可用开销就能够处理一个更大的 IT 负载并完成更多有用的工作,而功耗水平保持不变。
由于数据中心的功率需求持续增加,因此必需进行效率较高的功率转换以减少被作为热量而浪费掉的功率。智能型多相控制器技术是一种适合大电流 POL 应用的绝佳解决方案。该架构使得大电流稳压器能够在满负载条件下实现大大超过 90% 的效率。然而,此类设计大多数不满足在轻负载到中等负载时实现较高效率的需求。节省轻负载至中等负载时浪费的电力与节省重负载时浪费的电力一样重要。
大部分嵌入式系统通过 48V 背板来供电。这个电压正常情况下被降至较低的 24V、12V 或 5V 中间总线电压,用于向系统内部的电路板支架供电。不过,要求这些电路板上的大多数子电路或 IC 在不到 1V~3.3V 的电压范围内、以数十 mA 至数百 A 的电流工作。因此,要从 24V、12V 或 5V 电压轨降至子电路或 IC 所需的电压和电流值,POL DC/DC 转换器是必不可少的。
显然,人们希望在电压不断下降的情况下增加电流,这种日渐增长的需求将继续推动电源产品的开发。这一领域的很多成果可以追溯到功率转换技术领域中所取得的进步,特别是电源 IC 和功率半导体器件的改善。总体而言,这些组件对提高电源性能起到了很大作用,因为它们允许在对功率转换效率影响最小的前提下提高开关效率。这是通过降低开关和接通状态损耗,从而在提高效率的同时可允许高效地去除热量。不过,向较低输出电压转变给这些因素施加了更大的压力,这反过来又导致了极大的设计挑战。
未来几年,降低数据中心功耗的需求将成为一个主要焦点。就几乎任何种类的系统而言,由于在一个给定机柜中受限的空间和冷却以及在整个负载范围内需要高效率等多种限制条件,所以 POL DC/DC 转换器的设计人员面临着诸多挑战。尽管必须克服大量的限制因素,很多近期推出的多相稳压器还是提供了简单、紧凑和高效率的解决方案。通过迈向多元化的多相拓扑结构,设计人员就能够有效地节省空间、简化布局、降低电容器纹波电流、改善可靠性并减少被作为热量而白白浪费掉的功率。