軟件定義電源,電源應(yīng)用技術(shù)的飛越
現(xiàn)代生活方式和工作方式越來(lái)越多地依賴于存儲(chǔ)、訪問(wèn)、處理和共享數(shù)據(jù)。借助我們的智能數(shù)字設(shè)備，我們可以隨時(shí)創(chuàng)建內(nèi)容，并通過(guò)互聯(lián)網(wǎng)即時(shí)發(fā)布。當(dāng)然，現(xiàn)代商業(yè)是在線數(shù)據(jù)的大用戶，而政府機(jī)構(gòu)則負(fù)責(zé)維護(hù)數(shù)據(jù)的安全性，并改善公共服務(wù)。
據(jù)思科預(yù)測(cè)，到2018年數(shù)據(jù)中心業(yè)務(wù)肯定會(huì)超過(guò)8.6澤字節(jié)，而移動(dòng)數(shù)據(jù)業(yè)務(wù)的增長(zhǎng)速度更是會(huì)超過(guò)固定的IP業(yè)務(wù)。5G的興起還將加速這一趨勢(shì)。
我們對(duì)數(shù)據(jù)的依賴性一定會(huì)越來(lái)越強(qiáng)，因?yàn)槲锫?lián)網(wǎng)正在變成萬(wàn)聯(lián)網(wǎng)，而且包括移動(dòng)在內(nèi)的更多的生活方面會(huì)變成電子化的管理。自動(dòng)駕駛汽車將對(duì)收集、分析、共享和存儲(chǔ)數(shù)據(jù)帶來(lái)空前的需求，特別是眾多汽車和高速公路傳感器會(huì)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(wàn)億傳感器并且持續(xù)不斷地收集和傳遞數(shù)據(jù)的未來(lái)。此外，一些急性子的消費(fèi)者和實(shí)時(shí)服務(wù)(比如智能駕駛)將要求即時(shí)響應(yīng)，這對(duì)基礎(chǔ)設(shè)施提出了進(jìn)一步的挑戰(zhàn)。
圖1：萬(wàn)聯(lián)網(wǎng)正在滲透進(jìn)幾乎每種應(yīng)用，從而形成具有數(shù)萬(wàn)億個(gè)傳感器、所有傳感器都在收集、共享和分析數(shù)據(jù)的未來(lái)。
許多公司正在努力跟上對(duì)數(shù)據(jù)處置、處理和存儲(chǔ)的急劇增長(zhǎng)需求，同時(shí)還要努力控制運(yùn)營(yíng)成本。使事情更糟的是，我們?cè)谏钪袑?duì)數(shù)據(jù)服務(wù)越來(lái)越多的依賴性將產(chǎn)生損耗越來(lái)越嚴(yán)重的后果。支持現(xiàn)代生活方式的全球網(wǎng)絡(luò)和數(shù)據(jù)中心絕對(duì)必須保持最高的可靠性并確保最長(zhǎng)的正常運(yùn)行時(shí)間。
另外值得一提的是，并不是預(yù)測(cè)者預(yù)測(cè)的所有數(shù)量巨大的傳感器都是用來(lái)增強(qiáng)已經(jīng)舒適的生活方式：像TSensors Summit這樣的行業(yè)盛會(huì)已經(jīng)向我們展示，許多萬(wàn)億的聯(lián)網(wǎng)傳感器將被用來(lái)幫助世界上最貧困地區(qū)應(yīng)對(duì)食品、能源、水、衛(wèi)生和教育的短缺。
對(duì)能源的需求
對(duì)于今天的數(shù)據(jù)服務(wù)提供商來(lái)說(shuō)，給計(jì)算機(jī)持續(xù)提供能源使其保持正常運(yùn)行是最大的運(yùn)營(yíng)成本。數(shù)據(jù)中心運(yùn)營(yíng)商知道，在三年的典型使用壽命期內(nèi)給一臺(tái)服務(wù)器供電所需的費(fèi)用比購(gòu)買整套硬件的費(fèi)用還要高。另外，諸如為了保持推薦的工作溫度而使用空調(diào)等一些措施費(fèi)用也占了運(yùn)營(yíng)成本很大的一部分。運(yùn)營(yíng)商是如此在意這些成本費(fèi)用，以致于他們有意在寒冷氣候地區(qū)建立運(yùn)營(yíng)裝置，比如附近有水力發(fā)電機(jī)等低成本、可靠能源的斯堪的納維亞半島和美國(guó)西北部地區(qū)。
現(xiàn)代生活的永久聯(lián)網(wǎng) 特性意味著對(duì)數(shù)據(jù)基礎(chǔ)設(shè)施的需求是非常動(dòng)態(tài)的。舉例來(lái)說(shuō)，社會(huì)渠道會(huì)對(duì)實(shí)時(shí)發(fā)生的全球事件作出實(shí)時(shí)反應(yīng)，比如自然災(zāi)害或政治危機(jī)，甚至重大的體育賽事，這將導(dǎo)致突發(fā)猛增的業(yè)務(wù)量；A(chǔ)設(shè)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(zhuǎn)換，中間不能犧牲服務(wù)的可用性。自適應(yīng)電源管理則是滿足今后這種全球性數(shù)據(jù)需求的關(guān)鍵。
轉(zhuǎn)向軟件定義的電源
數(shù)據(jù)中心架構(gòu)師已經(jīng)成功地使用虛擬化技術(shù)來(lái)提高服務(wù)器的使用率，這將有助于降低資本成本和給空閑服務(wù)器供電的成本。采用虛擬化技術(shù)后，計(jì)算架構(gòu)就變成軟件定義的了。與此同時(shí)，電源設(shè)計(jì)也有進(jìn)展。
數(shù)據(jù)中心和網(wǎng)絡(luò)基礎(chǔ)設(shè)施的許多運(yùn)營(yíng)商正在從相對(duì)缺少靈活性的模擬技術(shù)轉(zhuǎn)向數(shù)字電源，后者具有更強(qiáng)的適應(yīng)性，可確保最佳的效率。然而，仍然有許多人以看待模擬轉(zhuǎn)換器的方式看待數(shù)字轉(zhuǎn)換器。這樣就存在著只利用了這些數(shù)字轉(zhuǎn)換器一部分潛能的風(fēng)險(xiǎn)，從而無(wú)法有效提升效率和降低運(yùn)營(yíng)成本。對(duì)電源架構(gòu)來(lái)說(shuō)下一個(gè)合理的步驟是變成軟件定義的架構(gòu)，充分利用數(shù)字電源的適應(yīng)性，并引入軟件控制，以便在工作狀態(tài)變化時(shí)持續(xù)地管理電源。
軟件定義的電源架構(gòu)無(wú)論是對(duì)電源設(shè)計(jì)師和開(kāi)發(fā)人員還是對(duì)數(shù)據(jù)中心運(yùn)營(yíng)商來(lái)說(shuō)都是有潛在好處的。在軟件級(jí)改編軟件的能力不僅可以消除硬件設(shè)計(jì)風(fēng)險(xiǎn)，而且允許未來(lái)更快的完成項(xiàng)目。幸運(yùn)的是，從模擬電源架構(gòu)到軟件定義電源的轉(zhuǎn)變可以快速方便地實(shí)現(xiàn)，不需要開(kāi)發(fā)新的技術(shù)或設(shè)計(jì)IP。
在實(shí)際使用中，軟件定義的電源架構(gòu)能夠克服目前數(shù)據(jù)中心設(shè)計(jì)師和運(yùn)營(yíng)商面臨的許多挑戰(zhàn)？紤]到由于半導(dǎo)體工藝的變化而在各個(gè)電路板之間存在的微小差異，數(shù)字電源架構(gòu)已經(jīng)允許通過(guò)精細(xì)調(diào)整中間總線和負(fù)載點(diǎn)輸出電壓來(lái)優(yōu)化工作效率。溫度變化效應(yīng)也能得到補(bǔ)償。將這類調(diào)整交給軟件控制來(lái)做可以實(shí)現(xiàn)總體效率的有效改進(jìn)。然而這只是可能實(shí)現(xiàn)的改進(jìn)中一個(gè)很小的方面。
軟件定義的電源架構(gòu)還可以進(jìn)一步實(shí)現(xiàn)顯著的效率增益，并有助于改善其它性能指標(biāo)，比如可靠性和運(yùn)行時(shí)間，方法可以是減小低需求期間對(duì)電源的壓力，并實(shí)現(xiàn)可預(yù)見(jiàn)性的維護(hù)。此外，軟件定義的電源架構(gòu)可以隨著通過(guò)激活或禁用電源滿足不同的需求，并能夠通過(guò)調(diào)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(fù)載使用自適應(yīng)電壓調(diào)整(AVS)功能調(diào)整它們的電源需求。在輕負(fù)載時(shí)，可以將供電電壓和工作頻率減少到執(zhí)行要求任務(wù)所需的最小值。對(duì)自適應(yīng)電壓調(diào)整總線(AVSBus)的支持已被寫進(jìn)最新的PMBus標(biāo)準(zhǔn)版本1.3——用于電源設(shè)備之間通信的開(kāi)放標(biāo)準(zhǔn)協(xié)議中。支持AVSBus可以讓處理器自動(dòng)調(diào)整合適的負(fù)載點(diǎn)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(dòng)調(diào)整電源架構(gòu)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(zhuǎn)換損耗，而且能夠最大限度地減少對(duì)冷卻系統(tǒng)的要求，從而進(jìn)一步降低開(kāi)啟諸如托盤風(fēng)扇和服務(wù)器房間空調(diào)等冷卻系統(tǒng)消耗的能量。除了節(jié)省能源外，降低對(duì)冷卻系統(tǒng)的要求還能騰出更多的空間用于安裝服務(wù)器、交換機(jī)或線路板。
與此同時(shí)，軟件定義的電源架構(gòu)可以受益于可靠性的提高。連續(xù)調(diào)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(zhuǎn)換器(IBC)和負(fù)載點(diǎn)(POL)轉(zhuǎn)換器上的壓力。最后一點(diǎn)，軟件定義的電源架構(gòu)還能最大限度地減少由于電源故障引起的宕機(jī)時(shí)間。
實(shí)際的軟件定義電源
聯(lián)網(wǎng)為把電源轉(zhuǎn)換器從一個(gè)個(gè)孤島改變?yōu)閰f(xié)作系統(tǒng)中的一個(gè)個(gè)單元提供了催化劑，這種協(xié)作系統(tǒng)能夠響應(yīng)位于軟件定義的電源架構(gòu)核心的中央控制器命令。開(kāi)放標(biāo)準(zhǔn)PMBus是一個(gè)理想的媒介。市場(chǎng)上已經(jīng)有兼容PMBus的前端交直流電源、數(shù)字負(fù)載點(diǎn)和IBC，它們?yōu)殡娫垂⿷?yīng)商開(kāi)始為客戶搭建軟件定義的電源架構(gòu)起到了關(guān)鍵的推動(dòng)作用。
圖2：開(kāi)放標(biāo)準(zhǔn)PMBus為連接軟件定義的電源架構(gòu)中的轉(zhuǎn)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(yīng)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(shè)計(jì)公司和最終用戶提供經(jīng)濟(jì)上的好處。
不過(guò)設(shè)計(jì)人員需要時(shí)間創(chuàng)建模型和開(kāi)發(fā)算法，以便充分發(fā)揮軟件定義電源的優(yōu)勢(shì)。有些人可能會(huì)先在電路板級(jí)實(shí)現(xiàn)軟件控制，后面再將機(jī)架和大功率轉(zhuǎn)換級(jí)部分引入軟件定義的架構(gòu)。也有些人從大功率級(jí)開(kāi)始，然后將軟件控制向前延伸到柵極和電路板級(jí)。此外，早期的控制算法可能比較簡(jiǎn)單，只需依靠少量幾個(gè)參數(shù)，但隨著時(shí)間的推移，由于要更詳細(xì)地分析更大的數(shù)據(jù)集，算法也會(huì)變得越來(lái)越復(fù)雜。
隨著熟悉程度的加深，以及越來(lái)越多經(jīng)過(guò)驗(yàn)證的設(shè)計(jì)被快速高效地復(fù)用進(jìn)后面的項(xiàng)目，未來(lái)的設(shè)計(jì)師將能快速交付新的項(xiàng)目，并它精力集中在開(kāi)發(fā)具有額外附加值的功能上，其中就包括預(yù)見(jiàn)性維護(hù)，這將有助于增強(qiáng)諸如正常運(yùn)行時(shí)間等關(guān)鍵的性能指標(biāo)，同時(shí)通過(guò)減少設(shè)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(fù)載點(diǎn)(POL)轉(zhuǎn)換器中實(shí)現(xiàn)了PMBus連接。使用工業(yè)標(biāo)準(zhǔn)協(xié)議與轉(zhuǎn)換器通信的能力可以幫助設(shè)計(jì)師構(gòu)建聯(lián)網(wǎng)的、可數(shù)字控制的電源架構(gòu)。
IBC可以提供各種標(biāo)準(zhǔn)磚尺寸，并且支持動(dòng)態(tài)總線電壓(DBV)，后者允許隨著負(fù)載條件的改變通過(guò)調(diào)整IBC電壓來(lái)優(yōu)化轉(zhuǎn)換效率。電壓可以通過(guò)PMBus設(shè)置，或通過(guò)安裝于IBC一體化ARM微控制器上的電源優(yōu)化固件進(jìn)行設(shè)置。IBC級(jí)的DBV，就像負(fù)載點(diǎn)的AVS一樣，在最大化效率方面極有成效，方法是通過(guò)調(diào)整功率包絡(luò)來(lái)適應(yīng)負(fù)載條件，進(jìn)而最大程度地減少浪費(fèi)的能量。除了設(shè)置IBC電壓外，PMBus接口還允許對(duì)電壓余量、故障管理、精密延時(shí)爬升和啟/停進(jìn)行中央控制。
Novum負(fù)載點(diǎn)轉(zhuǎn)換器允許PMBus命令控制與IBC模塊內(nèi)相似的因素，也允許軟件控制電壓定序和跟蹤。
為了說(shuō)明通過(guò)自動(dòng)適應(yīng)電源結(jié)構(gòu)而可能實(shí)現(xiàn)的節(jié)能效果，考慮將平均效率為95%的一個(gè)前端交直流電源、工作效率為93%的一個(gè)IBC和一個(gè)工作效率為88%的負(fù)載點(diǎn)組合在一起。在所有三個(gè)轉(zhuǎn)換器上，22.2%的輸入功率以熱量形式散發(fā)。如果每級(jí)效率只增加1%，能量損失可以減少到19.6%，相當(dāng)于12%的改進(jìn)，這可是相當(dāng)顯著的改進(jìn)。另外，冷卻負(fù)載的減少還能帶來(lái)額外的能量節(jié)省。
未來(lái)
隨著軟件定義的電源架構(gòu)在數(shù)據(jù)中心和電信辦公樓的普及，這個(gè)行業(yè)需要依賴不同供應(yīng)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(shí)現(xiàn)了模塊間連接的標(biāo)準(zhǔn)化，但有些命令開(kāi)放解釋，當(dāng)與不同制造商的轉(zhuǎn)換器一起使用時(shí)可能產(chǎn)生不同的結(jié)果。為了克服這個(gè)問(wèn)題，由CUI、愛(ài)立信電源模塊和村田公司組成的AMP GroupTM(現(xiàn)代電源架構(gòu)師)通過(guò)合作對(duì)包括PMBus命令響應(yīng)在內(nèi)的諸多軟件方面進(jìn)行了標(biāo)準(zhǔn)化，并對(duì)諸如外形尺寸和引腳配置等機(jī)械細(xì)節(jié)也進(jìn)行了標(biāo)準(zhǔn)化。
圖3：AMP Group成立的目的是專門為軟件定義的電源應(yīng)用合作開(kāi)發(fā)多源解決方案。
本文小結(jié)
軟件定義的電源架構(gòu)不僅可以在設(shè)計(jì)階段提供效率改進(jìn)和節(jié)能，而且能夠降低基礎(chǔ)設(shè)施主人所需的運(yùn)營(yíng)成本。更多的優(yōu)勢(shì)包括提高了可靠性以及實(shí)現(xiàn)可預(yù)見(jiàn)維護(hù)的機(jī)會(huì)，最終實(shí)現(xiàn)更長(zhǎng)的正常運(yùn)行時(shí)間。從基于模擬的電源架構(gòu)轉(zhuǎn)變?yōu)檐浖x的電源架構(gòu)正在快速進(jìn)行中。隨著電源設(shè)計(jì)人員對(duì)這種技術(shù)的不斷熟悉，他們將能夠快速和極具成本效益地提供越來(lái)越全面的、高效的和可靠的系統(tǒng)。
編輯：admin 最后修改時(shí)間：2017-09-05
