可扩展电源系统满足了可配置刀片服务器的需求

问题 / 挑战

　　刀片服务器计算系统必须具有较高的可配置性，才能满足多种应用的需求。因此，我们在购买和出售刀片服务器时，主要应考虑需要多大的处理能力，才能满足具体任务的需求。然而，在刀片服务器所有组件中，有一点往往最容易被忽视，却又至关重要，这就是刀片服务器的电源。从某种意义上甚至可以说，系统稳定性取决于电源的供电情况。

　　有一家客户希望设计一款用于刀片服务器应用的 1.5kW 的高效隔离式电源转换器模块，TI 近期与该客户开展了合作。该客户在满足供电需求方面主要依靠一家知名电源模块供应商的技术。电源转换器模块具有许多优点，其中最重要的优点就在于便于实施。

　　不过，这种方法也有一些劣势，特别对刀片服务器而言更是如此。服务器系统设计旨在实现在可用处理能力方面的较高的可配置性。

　　为了满足多种可扩展的电源要求，可配置的服务器应优化匹配于兼容的电源系统。客户最希望实现的功能就是要提高灵活性，更好地匹配于电源需求和处理器要求。

　　其次，由于具体的监控和电源管理要求，电源模块本身并不构成完整的电源系统。因此，客户最终强调，必须降低整体电源系统的成本。

　　客户要将刀片服务器应用的定制电源转换器设计外包出去的话，肯定会在一定程度上提高成本，因此该客户果断决定，要敢为人之不敢为——设计自己的定制电源。

解决方案：

　　传统上，可配置的服务器通常采用业界标准的支架设计，能容纳 42 个 1U（1.75 英寸）服务器。由于 AC 电源采用通过服务器支架的总线，因此每个横向支架式 1U 服务器模块都需要一个隔离式 AC 到 DC 电源，如果需要冗余或负载共享的话，则需要两个隔离式 AC 到 DC 电源，此外还要有自己的冷却源。

　　因此，全面配置的 42, 1U 支架式服务器最多可有 84 个不同的电源。

　　刀片服务器纵向安装在 3U 支架单元内。每个刀片实际就是一个单板计算机，具备全套存储器、处理器和网络连接。我们将刀片插进通用的纵向机箱内，就能将众多服务器放在较小的空间内，从而相对于横向支架式服务器而言提高了计算能力密度。单一的 PCI 业界标准支架中最多能安装 250 个刀片。

　　与 1U 横向支架式服务器不同，刀片服务器中的 DC 电源由一个或多个电源模块组成，通过 PCI 箱连接到不同的刀片。分配 DC 电源时，AC 到 DC隔离只需通过中间总线转换器出现一次。由于刀片本身不带板上隔离电源或风扇，我们可将总线电源和制冷分配视为共享系统资源。刀片服务器电源模块可实现并行配置，支持热插拔，从而提高系统的灵活性和可扩展性。在刀片的最初开发阶段，只具备单一的处理器，因此功耗问题并不是一个严重的问题。

　　不过，目前技术的发展趋势则是在一个刀片系统中集成多达四个耗电不菲的处理器，这就大大提高了制冷要求。由于刀片本身功耗提高很多，因此我们必须不断提高电源的效率。

　　由于我们的客户专门从事高性能计算系统工作，而此前在电源设计方面经验很少乃至完全空白，因此在设计专用的定制电源方面确实面临着巨大的挑战。TI 与客户密切合作，首先了解客户最直接的电源需求。1.5kW 的转换器需要通过离线的功率因数校正 (PFC) 功能调节升压转换器工作。起初，我们考虑采用 UCC38500 配合 PFC/PWM 控制器工作，不过这种方法只能提供几百瓦特的功率，因此最终没有被采纳。某种全桥电源拓扑版本实际上是唯一实用的选择，为了保持绝对最高的效率，我们选择了 UCC3895 相移全桥 (PSFB) PWM 控制器，并配合采用 UCC3817 PFC 升压预调节器。

　　PSFB 控制技术与传统的 PWM 全桥技术有两点不同。首先，PSFB 采用了有意时延，在适当工作条件下，会出现零电压交换 (ZVS)，从而为满足客户的高效率需求发挥重要作用。其次，每个一次桥接 MOSFET 的占空比都固定为 50%，这样我们就不用调节脉冲宽度，而是控制相移（或相位重叠）即可。

　　在组件数量相当的情况下，PSFB 能实现 ZVS 功能，EMI 性能和整体性能优势都要高于传统的硬交换型全桥接技术。优化转换器、提高效率，这取决于我们能否全面了解寄生电路元素的情况，如 MOSFET 结电容和变压器泄漏电感等。

　　即便在非线性元素确定情况下，ZVS 的关键计时功能也必须精确调节，这样才能全面实现转换器的效率优势。我们充分利用了 TI 在 ZVS 电源拓扑方面的技术优势，避免了经历高难度学习曲线的痛苦过程。在整个开发过程中，TI 提供了广泛的设计支持，包括规范和设计审核、推荐有关组件，以及初期硬件调试支持等。在 9 个月的时间内，客户就将首次内部定制设计的电源系统成功地投入生产。

    不久之后，该客户再次咨询 TI，讨论 200W DC 到 DC 转换器的设计规范问题。由于该客户在 1.5kW PSFB 设计方面大获成功，因此自然考虑到采用缩放方法，以相同的方式来支持 200W 的版本。PSFB 无疑将满足高效和低成本的要求，但它确实是最佳选择吗？支持有源钳位变压器重新设置的单端正向转换器提供了许多与 PSFB 拓扑相同的优势，而且功耗更低。在 PSFB 设计方案中需要数十乃至数百千瓦功率的情况下，有源钳位正向技术实际上只需要约 400W 功率就足够了。了解到性价比情况后，客户同意基于 UCC2894 有源钳位电流模式 PWM 控制器采用有源钳位正向设计方案。

　　为了加快客户的设计速度，TI 提供了参考设计和一款样例转换器，帮助客户了解相关技术，全面掌握有源钳位正向转换器的原理。TI 还提供了定制设计的数学模型，可预测电源转换器模块的效率。效率模型非常有用，因为其有助于加速设计验证进程，并研究分析不同设计组件和工作条件对效率的影响。在 TI 的设计支持下，该客户在不到半年的时间里就完成了首款有源钳位正向转换器从概念到预生产的发展。

　　该客户现在已经拥有了两种最高效电源拓扑结构的设计经验，具备了可扩展的电源解决方  
案，能满足不到 100W 乃至若干千瓦的不同功率需求。此外，该客户还实际掌握了刀片服务器系统中定制设计高效电源转换产品的所有相关知识，甚至开始探讨能否专门抽出一部分内部设计资源用于开发刀片服务器应用的定制电源系统。

总结

　　一款具有 PFC 功能的 1.5 Kw 电源的设计采用了 UCC3817 PFC 预调节器和 UCC3895 高级相移 PWM 控制器。

　　利用 UCC 2894 电流模式有源钳位控制器成功地设计出了一款 200W DC 到 DC 转换器，从而实现了刀片服务器应用的低成本和高效率。

　　提供了参考设计和效率建模工具，以缩短设计周期。

　　现在客户就拥有了两款可扩展 ZVS 电源设计方案，能满足不到 100W 乃至若干千瓦的不同刀片服务器应用的需求。