智能電源方案提升能效并降低成本

數(shù)據(jù)是當(dāng)今世界最有價值的商品之一。趨勢如即將開啟的5G意味著大量數(shù)據(jù)將能快速移動，從而支持?jǐn)?shù)據(jù)密集型格式如虛擬實境(VR) / 增強實境(AR)所需的視頻內(nèi)容的進(jìn)一步增長。我們越趨轉(zhuǎn)向云來保護這些重要信息。

隨著數(shù)據(jù)存儲成本的降低，對舊數(shù)據(jù)的整理變得不那么重要-所需的存儲容量正以前所未有的速度呈螺旋式增長。因此，保持?jǐn)?shù)據(jù)中心正常運行所需的電力非常重要，且還在持續(xù)快速增長。估計目前數(shù)據(jù)中心消耗3%的美國電力，預(yù)計到2040年將達(dá)到15%。

能源昂貴，確保足夠的電力可用是數(shù)據(jù)中心運營商面臨的主要挑戰(zhàn)。另一個昂貴的商品是空間占位，數(shù)據(jù)中心的占位也在增加，以容納每年增加一千萬臺服務(wù)器。為了控制成本，數(shù)據(jù)中心運營商正謀求使用更少的電力，并減少其占位。

為實現(xiàn)這些目標(biāo)，電源系統(tǒng)必須提高能效，減少廢熱，減少熱管理問題，并且功率密度可增加，從而減小整體尺寸。因提高能效而降低溫度也有助于提高可靠性，這在數(shù)據(jù)中心中非常有用。

為了實現(xiàn)這性能和可靠性，電源系統(tǒng)越來越精密，且集成度更高，尤其是在功率開關(guān)MOSFET及其相關(guān)驅(qū)動器領(lǐng)域。更多的功能被納入以確保最高水平的正常運行時間，包括熱插拔設(shè)備如風(fēng)扇和磁盤驅(qū)動器的能力。

功率密度的下一級水平是智能功率級(SPS)方案，集成MOSFET、驅(qū)動器和檢測電流及溫度的感測器。這方案支持構(gòu)成部分相互匹配和優(yōu)化，從而實現(xiàn)分立方案無法實現(xiàn)的性能水平。

MOSFET技術(shù)已顯著改進(jìn)，能在非常高效和緊湊的封裝中集成控制IC和MOSFET。例如，安森美半導(dǎo)體最近推出了NCP3284 1MHz DC-DC轉(zhuǎn)換器，具有30A能力，并提供多種保護功能，占位5mm x 6mm。以更高的頻率工作可減小外部無源器件的尺寸，從而增加整體功率密度。

eFuse如NIS5020、NIS5820和NIS6150在數(shù)據(jù)中心應(yīng)用中發(fā)揮重要作用。這些基于智能半導(dǎo)體的器件在電力系統(tǒng)中至關(guān)重要，需要在移除負(fù)載時保持電源接通。這樣，就可以先更換出現(xiàn)故障的部件如風(fēng)扇或磁盤驅(qū)動器等，并允許進(jìn)行例行維護如升級磁盤驅(qū)動器，同時保持系統(tǒng)運行。

數(shù)據(jù)中心中電源相關(guān)技術(shù)最重大的變化也許是用現(xiàn)代寬禁帶材料如氮化鎵(GaN)或碳化硅(SiC)替代傳統(tǒng)的硅基器件的趨勢?；谶@些材料的器件不僅能在更高的頻率和更高的溫度下運行，而且本質(zhì)上能效更高，從而創(chuàng)建了數(shù)據(jù)中心所需的更小、更冷卻、更可靠的高能效方案。

盡管SiC 基MOSFET的成本仍高于硅基MOSFET，但成本卻下降了，電感和電容器的相關(guān)節(jié)省(其值低于硅設(shè)計)意味著SiC基電源方案的物料單(BoM)成本現(xiàn)在比硅設(shè)計更低。預(yù)計這將成為轉(zhuǎn)折點，導(dǎo)致更快地采用WBG技術(shù)，從而進(jìn)一步降低成本。