軟件定義電源,電源應用技術的飛越

現(xiàn)代生活方式和工作方式越來越多地依賴于存儲、訪問、處理和共享數(shù)據(jù)。借助我們的智能數(shù)字設備，我們可以隨時創(chuàng)建內容，并通過互聯(lián)網(wǎng)即時發(fā)布。當然，現(xiàn)代商業(yè)是在線數(shù)據(jù)的大用戶，而政府機構則負責維護數(shù)據(jù)的安全性，并改善公共服務。

據(jù)思科預測，到2018年數(shù)據(jù)中心業(yè)務肯定會超過8.6澤字節(jié)，而移動數(shù)據(jù)業(yè)務的增長速度更是會超過固定的IP業(yè)務。5G的興起還將加速這一趨勢。

我們對數(shù)據(jù)的依賴性一定會越來越強，因為物聯(lián)網(wǎng)正在變成萬聯(lián)網(wǎng)，而且包括移動在內的更多的生活方面會變成電子化的管理。自動駕駛汽車將對收集、分析、共享和存儲數(shù)據(jù)帶來空前的需求，特別是眾多汽車和高速公路傳感器會從不同的角度監(jiān)視相同的事件。我們可以想像一下包含數(shù)萬億傳感器并且持續(xù)不斷地收集和傳遞數(shù)據(jù)的未來。此外，一些急性子的消費者和實時服務(比如智能駕駛)將要求即時響應，這對基礎設施提出了進一步的挑戰(zhàn)。

圖1：萬聯(lián)網(wǎng)正在滲透進幾乎每種應用，從而形成具有數(shù)萬億個傳感器、所有傳感器都在收集、共享和分析數(shù)據(jù)的未來。

許多公司正在努力跟上對數(shù)據(jù)處置、處理和存儲的急劇增長需求，同時還要努力控制運營成本。使事情更糟的是，我們在生活中對數(shù)據(jù)服務越來越多的依賴性將產(chǎn)生損耗越來越嚴重的后果。支持現(xiàn)代生活方式的全球網(wǎng)絡和數(shù)據(jù)中心絕對必須保持最高的可靠性并確保最長的正常運行時間。

另外值得一提的是，并不是預測者預測的所有數(shù)量巨大的傳感器都是用來增強已經(jīng)舒適的生活方式：像TSensors Summit這樣的行業(yè)盛會已經(jīng)向我們展示，許多萬億的聯(lián)網(wǎng)傳感器將被用來幫助世界上最貧困地區(qū)應對食品、能源、水、衛(wèi)生和教育的短缺。

對能源的需求

對于今天的數(shù)據(jù)服務提供商來說，給計算機持續(xù)提供能源使其保持正常運行是最大的運營成本。數(shù)據(jù)中心運營商知道，在三年的典型使用壽命期內給一臺服務器供電所需的費用比購買整套硬件的費用還要高。另外，諸如為了保持推薦的工作溫度而使用空調等一些措施費用也占了運營成本很大的一部分。運營商是如此在意這些成本費用，以致于他們有意在寒冷氣候地區(qū)建立運營裝置，比如附近有水力發(fā)電機等低成本、可靠能源的斯堪的納維亞半島和美國西北部地區(qū)。

現(xiàn)代生活的永久聯(lián)網(wǎng) 特性意味著對數(shù)據(jù)基礎設施的需求是非常動態(tài)的。舉例來說，社會渠道會對實時發(fā)生的全球事件作出實時反應，比如自然災害或政治危機，甚至重大的體育賽事，這將導致突發(fā)猛增的業(yè)務量。基礎設施需要在所有條件下都能工作在最佳效率，并處理好從最小到最大活躍性的快速轉換，中間不能犧牲服務的可用性。自適應電源管理則是滿足今后這種全球性數(shù)據(jù)需求的關鍵。

轉向軟件定義的電源

數(shù)據(jù)中心架構師已經(jīng)成功地使用虛擬化技術來提高服務器的使用率，這將有助于降低資本成本和給空閑服務器供電的成本。采用虛擬化技術后，計算架構就變成軟件定義的了。與此同時，電源設計也有進展。

數(shù)據(jù)中心和網(wǎng)絡基礎設施的許多運營商正在從相對缺少靈活性的模擬技術轉向數(shù)字電源，后者具有更強的適應性，可確保最佳的效率。然而，仍然有許多人以看待模擬轉換器的方式看待數(shù)字轉換器。這樣就存在著只利用了這些數(shù)字轉換器一部分潛能的風險，從而無法有效提升效率和降低運營成本。對電源架構來說下一個合理的步驟是變成軟件定義的架構，充分利用數(shù)字電源的適應性，并引入軟件控制，以便在工作狀態(tài)變化時持續(xù)地管理電源。

軟件定義的電源架構無論是對電源設計師和開發(fā)人員還是對數(shù)據(jù)中心運營商來說都是有潛在好處的。在軟件級改編軟件的能力不僅可以消除硬件設計風險，而且允許未來更快的完成項目。幸運的是，從模擬電源架構到軟件定義電源的轉變可以快速方便地實現(xiàn)，不需要開發(fā)新的技術或設計IP。

在實際使用中，軟件定義的電源架構能夠克服目前數(shù)據(jù)中心設計師和運營商面臨的許多挑戰(zhàn)?？紤]到由于半導體工藝的變化而在各個電路板之間存在的微小差異，數(shù)字電源架構已經(jīng)允許通過精細調整中間總線和負載點輸出電壓來優(yōu)化工作效率。溫度變化效應也能得到補償。將這類調整交給軟件控制來做可以實現(xiàn)總體效率的有效改進。然而這只是可能實現(xiàn)的改進中一個很小的方面。

軟件定義的電源架構還可以進一步實現(xiàn)顯著的效率增益，并有助于改善其它性能指標，比如可靠性和運行時間，方法可以是減小低需求期間對電源的壓力，并實現(xiàn)可預見性的維護。此外，軟件定義的電源架構可以隨著通過激活或禁用電源滿足不同的需求，并能夠通過調整系統(tǒng)電壓獲得最佳的效率。

今天的處理器可以根據(jù)連接的處理負載使用自適應電壓調整(AVS)功能調整它們的電源需求。在輕負載時，可以將供電電壓和工作頻率減少到執(zhí)行要求任務所需的最小值。對自適應電壓調整總線(AVSBus)的支持已被寫進最新的PMBus標準版本1.3——用于電源設備之間通信的開放標準協(xié)議中。支持AVSBus可以讓處理器自動調整合適的負載點輸出電壓，因此除了以前就可以使用的PMBus命令外，又增加了另外一把利劍。

在不斷變化的條件下自動調整電源架構以確保最優(yōu)工作效率不僅有助于最大限度地減小電源中的能量轉換損耗，而且能夠最大限度地減少對冷卻系統(tǒng)的要求，從而進一步降低開啟諸如托盤風扇和服務器房間空調等冷卻系統(tǒng)消耗的能量。除了節(jié)省能源外，降低對冷卻系統(tǒng)的要求還能騰出更多的空間用于安裝服務器、交換機或線路板。

與此同時，軟件定義的電源架構可以受益于可靠性的提高。連續(xù)調整系統(tǒng)以保持最佳效率并盡量減小發(fā)熱量可以減少施加在中間總線轉換器(IBC)和負載點(POL)轉換器上的壓力。最后一點，軟件定義的電源架構還能最大限度地減少由于電源故障引起的宕機時間。

實際的軟件定義電源

聯(lián)網(wǎng)為把電源轉換器從一個個孤島改變?yōu)閰f(xié)作系統(tǒng)中的一個個單元提供了催化劑，這種協(xié)作系統(tǒng)能夠響應位于軟件定義的電源架構核心的中央控制器命令。開放標準PMBus是一個理想的媒介。市場上已經(jīng)有兼容PMBus的前端交直流電源、數(shù)字負載點和IBC，它們?yōu)殡娫垂涕_始為客戶搭建軟件定義的電源架構起到了關鍵的推動作用。

圖2：開放標準PMBus為連接軟件定義的電源架構中的轉換器提供了理想的媒介。

軟件定義電源正在增值的電源供電應用中快速獲得普及。在這些系統(tǒng)中，數(shù)字電源的特性已經(jīng)在向設計公司和最終用戶提供經(jīng)濟上的好處。

不過設計人員需要時間創(chuàng)建模型和開發(fā)算法，以便充分發(fā)揮軟件定義電源的優(yōu)勢。有些人可能會先在電路板級實現(xiàn)軟件控制，后面再將機架和大功率轉換級部分引入軟件定義的架構。也有些人從大功率級開始，然后將軟件控制向前延伸到柵極和電路板級。此外，早期的控制算法可能比較簡單，只需依靠少量幾個參數(shù)，但隨著時間的推移，由于要更詳細地分析更大的數(shù)據(jù)集，算法也會變得越來越復雜。

隨著熟悉程度的加深，以及越來越多經(jīng)過驗證的設計被快速高效地復用進后面的項目，未來的設計師將能快速交付新的項目，并它精力集中在開發(fā)具有額外附加值的功能上，其中就包括預見性維護，這將有助于增強諸如正常運行時間等關鍵的性能指標，同時通過減少設備替換率降低資本成本。

CUI已經(jīng)在諸如3kW PSE-3000的前端交直流電源、Novum系列數(shù)字IBC和非隔離式直流直流數(shù)字負載點(POL)轉換器中實現(xiàn)了PMBus連接。使用工業(yè)標準協(xié)議與轉換器通信的能力可以幫助設計師構建聯(lián)網(wǎng)的、可數(shù)字控制的電源架構。

IBC可以提供各種標準磚尺寸，并且支持動態(tài)總線電壓(DBV)，后者允許隨著負載條件的改變通過調整IBC電壓來優(yōu)化轉換效率。電壓可以通過PMBus設置，或通過安裝于IBC一體化ARM微控制器上的電源優(yōu)化固件進行設置。IBC級的DBV，就像負載點的AVS一樣，在最大化效率方面極有成效，方法是通過調整功率包絡來適應負載條件，進而最大程度地減少浪費的能量。除了設置IBC電壓外，PMBus接口還允許對電壓余量、故障管理、精密延時爬升和啟/停進行中央控制。

Novum負載點轉換器允許PMBus命令控制與IBC模塊內相似的因素，也允許軟件控制電壓定序和跟蹤。

為了說明通過自動適應電源結構而可能實現(xiàn)的節(jié)能效果，考慮將平均效率為95%的一個前端交直流電源、工作效率為93%的一個IBC和一個工作效率為88%的負載點組合在一起。在所有三個轉換器上，22.2%的輸入功率以熱量形式散發(fā)。如果每級效率只增加1%，能量損失可以減少到19.6%，相當于12%的改進，這可是相當顯著的改進。另外，冷卻負載的減少還能帶來額外的能量節(jié)省。

未來

隨著軟件定義的電源架構在數(shù)據(jù)中心和電信辦公樓的普及，這個行業(yè)需要依賴不同供應商提供的電源模塊之間的互操作性。雖然PMBus在一定程度上實現(xiàn)了模塊間連接的標準化，但有些命令開放解釋，當與不同制造商的轉換器一起使用時可能產(chǎn)生不同的結果。為了克服這個問題，由CUI、愛立信電源模塊和村田公司組成的AMP GroupTM(現(xiàn)代電源架構師)通過合作對包括PMBus命令響應在內的諸多軟件方面進行了標準化，并對諸如外形尺寸和引腳配置等機械細節(jié)也進行了標準化。

圖3：AMP Group成立的目的是專門為軟件定義的電源應用合作開發(fā)多源解決方案。

本文小結

軟件定義的電源架構不僅可以在設計階段提供效率改進和節(jié)能，而且能夠降低基礎設施主人所需的運營成本。更多的優(yōu)勢包括提高了可靠性以及實現(xiàn)可預見維護的機會，最終實現(xiàn)更長的正常運行時間。從基于模擬的電源架構轉變?yōu)檐浖x的電源架構正在快速進行中。隨著電源設計人員對這種技術的不斷熟悉，他們將能夠快速和極具成本效益地提供越來越全面的、高效的和可靠的系統(tǒng)。

編輯：admin  最后修改時間：2017-09-05