服务器电源需求激增，高效能与高可靠性如何双重突破？

2024-04-02

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本文作者： 安森美（onsemi） 模拟与混合信号事业部应用专家 Micky Wu

随着近几年云计算、大数据技术的爆发式演进，服务器作为支撑数字经济时代的基石设施，其部署规模正以前所未有的速度激增，正如《2022-2023全球计算力指数评估报告》显示，中国整体服务器市场规模在2017至2022年的复合增长率高达48.8%。鉴于此类设备天然的高能耗、高电耗特性，服务商们迫切寻求通过采用高度集成化的组件技术和解决方案，来设计和实施既能保证卓越性能，又能实现紧凑布局与强大可靠性的电源系统。在这方面， 安森美(onsemi)凭借其业界领先的电源管理技术，成为众多企业理想的选择伙伴 。

打造高效能服务器电源系统的关键要点

在大型数据中心或服务器中，随着处理器的演进，晶体管数量越来越多，需要越来越高的输出电流。此外，为了控制整个系统的运行效率，使得设备能在空闲时以更低电流运行，在需要时再按全功率运行，服务器电源需具有大电流、低电压，并且对电压精度、纹波、快速瞬态响应都有比较高的要求，因此，目前 多相电源成为服务器供电的主流方案 。

一个多相电源是由一个控制器配合几个或十几个功率级（power stage）组成的完整方案，控制器是多相电源的重要组成部分，通常采用PWM脉冲宽度调制技术来控制输出电压，并通过改变脉冲调制的周期来控制其输出频率，因此对相关芯片的设计、制造工艺等方面有着较高要求。

功率级则可以理解为由2个MOSFET和一个Driver IC合封而成，由于传统的供电设计中将上行MOS管、下行MOS管和驱动器单独放置，将导致占用较多PCB面积，降低电流的整体转换效率，功率级因此能够在有限的尺寸面积上提供更高的效率和性能。

此外，多相电源由多相协同工作，每个相位的开关必须交错开关并控制，以优化负载调节、纹波、瞬态响应，其最大的优势就是可扩展性比较好，用户可以根据输出电流的大小来决定功率级的数量，同时由于是多个功率级，在工作时热源就相对能够均匀分布，不会因为热源过于集中而导致芯片过热。

在早期的多相电源方案中，控制器只需提供给功率级一个PWM信号就可以正常工作，但现在的产品还集成了诸如电流检测、温度检测、故障上报的功能使其变得更加智能，因此安森美也把这类产品称为 智能功率级(SPS)方案 。在选择SPS产品时，则往往需要考虑控制器部分是否足够智能以拥有电流、温度检测等功能、上下两个MOS管本身的性能如何、器件的封装是否成熟以便于散热及满足焊接的可靠性需求等三大主要因素。

安森美的智能功率级SPS器件系列目前覆盖了 从30A到100A的电流范围 ，在一个QFN封装中集成了高边FET、低边FET和驱动器IC、保护和检测功能，为服务器多相稳压器提供同类最佳的电源转换能效，用以优化服务器系统、降低总物料单(BOM)成本。

例如100A功率级FDMF5085与90A功率级FDMF5071具有完全优化、超紧凑的集成MOSFET和先进的驱动器IC电流和温度传感器，适用于高电流、高频和同步降压DC-DC转换器。此外，该类器件还提供输出信号（IMON），报告实时模块电流，IMON信号可用于代替电感器DCR电流检测或电阻器检测方法，还有精确的热监测（TMON），在25°C时提供0.8V输出，斜率为8 mV/°C。

而在多相控制器上，安森美同样有针对VR13.HC服务器平台的8相数字控制器产品FD3501以及针对VR14服务器平台的8相数字控制器FD5001以及12相数字控制器FD5012，以及目前最最热门的AI供电方案的16相数字控制器FD5100，都具有卓越的瞬态响应、可编程性和易用性。

确保服务器稳定供电的“安全卫士”

另一方面，在设计服务器电源方案时，设计人员除了需要考虑提升能效和功率密度外， 还要确保尽可能高的安全性和可靠性，特别是服务器通常具有可扩展性和热插拔功能 ，以满足不同的处理要求并保持高系统可用性。因此，为了实现无缝热插拔功能，在服务器电源系统中， 电子保险丝(eFuse) 同样扮演着至关重要的角色 ，它是确保整个供电网络稳定性和设备安全的关键组件之一。

不同于传统的热熔断保险丝，eFuse使用低导通电阻MOSFET，除了在正常运行期间和发生热插拔时保护外设外，还可用于可能发生电源故障或负载故障以及可能需要限制浪涌、冲击电流的任何应用。除了为器件、连接器和PCB走线提供保护之外，它们通常还集成过流、过热及过压保护，且提供诊断和控制功能，比传统熔丝、PTC自恢复保险丝及热插拔控制器都更有优势，是一种经济高效的替代方案。

安森美高效、可靠和紧凑的eFuse方案阵容 可覆盖3V至48V的电源范围 ，这些方案通常内置实时诊断功能、精密控制和多重保护特性，响应快，性能和可靠性优于竞争对手。例如NCP81295/6热插拔控制器支持最高60A峰值电流（连续50A），基于0.65mΩ的内部MOSFET以实现高效运行，采用5mm x 5mm 32引脚QFN封装，提供闩锁或自动重试版本，适合在高达+125°C的温度下使用。

小电流eFuse方案则多是用于硬盘电源的保护，因为硬盘通常设计为独立的硬盘阵列，所以会有限流和插拔的要求，这类eFuse功能也包含过流保护、短路保护、过温保护、电流检测以及输出的故障上报，并且还会要求有一些抗噪声能力。

NIS5021是安森美12V 12A电子保险丝器件，常与热插拔硬盘一起使用，使其不处于可能损坏敏感电路的任何过输入电压，内置电压钳位限制输出电压以保护负载，同时保持连续供电，使驱动器可持续正常工作。NIS5420则是一个12V 5A的电子保险丝，它的输入电压范围是8V到18V，同样带有输出过流保护和短路保护功能。

事实上，除了上述产品外，安森美提供的端到端电源解决方案还包括负载点DC-DC稳压器、单路BUCK控制器、LDO产品等，在面对不断升级的服务器电源需求下，安森美也将研发更高转换效率、更强稳定性的电源模块，实现精细化、动态化的电源分配和能效优化，推动整个行业的技术进步。