发挥软件定义电源的潜能

作者: Mark Adams

现代生活方式和工作方式越来越多地依赖于存储、访问、处理和共享数据。借助我们的智能数字设备，我们可以随时创建内容，并通过互联网即时发布。当然，现代商业是在线数据的大用户，而政府机构则负责维护数据的安全性，并改善公共服务。

据思科预测，到2018年数据中心业务肯定会超过8.6泽字节，而移动数据业务的增长速度更是会超过固定的IP业务。5G的兴起还将加速这一趋势。

我们对数据的依赖性一定会越来越强，因为物联网正在变成万联网，而且包括移动在内的更多的生活方面会变成电子化的管理。自动驾驶汽车将对收集、分析、共享和存储数据带来空前的需求，特别是众多汽车和高速公路传感器会从不同的角度监视相同的事件。我们可以想像一下包含数万亿传感器并且持续不断地收集和传递数据的未来。此外，一些急性子的消费者和实时服务(比如智能驾驶)将要求即时响应，这对基础设施提出了进一步的挑战。


图1：万联网正在渗透进几乎每种应用，从而形成具有数万亿个传感器、所有传感器都在收集、共享和分析数据的未来。

许多公司正在努力跟上对数据处置、处理和存储的急剧增长需求，同时还要努力控制运营成本。使事情更糟的是，我们在生活中对数据服务越来越多的依赖性将产生损耗越来越严重的后果。支持现代生活方式的全球网络和数据中心绝对必须保持最高的可靠性并确保最长的正常运行时间。

另外值得一提的是，并不是预测者预测的所有数量巨大的传感器都是用来增强已经舒适的生活方式：像TSensors Summit这样的行业盛会已经向我们展示，许多万亿的联网传感器将被用来帮助世界上最贫困地区应对食品、能源、水、卫生和教育的短缺。

对能源的需求

对于今天的数据服务提供商来说，给计算机持续提供能源使其保持正常运行是最大的运营成本。数据中心运营商知道，在三年的典型使用寿命期内给一台服务器供电所需的费用比购买整套硬件的费用还要高。另外，诸如为了保持推荐的工作温度而使用空调等一些措施费用也占了运营成本很大的一部分。运营商是如此在意这些成本费用，以致于他们有意在寒冷气候地区建立运营装置，比如附近有水力发电机等低成本、可靠能源的斯堪的纳维亚半岛和美国西北部地区。

现代生活的永久联网 特性意味着对数据基础设施的需求是非常动态的。举例来说，社会渠道会对实时发生的全球事件作出实时反应，比如自然灾害或政治危机，甚至重大的体育赛事，这将导致突发猛增的业务量。基础设施需要在所有条件下都能工作在最佳效率，并处理好从最小到最大活跃性的快速转换，中间不能牺牲服务的可用性。自适应电源管理则是满足今后这种全球性数据需求的关键。

转向软件定义的电源

数据中心架构师已经成功地使用虚拟化技术来提高服务器的使用率，这将有助于降低资本成本和给空闲服务器供电的成本。采用虚拟化技术后，计算架构就变成软件定义的了。与此同时，电源设计也有进展。

数据中心和网络基础设施的许多运营商正在从相对缺少灵活性的模拟技术转向数字电源，后者具有更强的适应性，可确保最佳的效率。然而，仍然有许多人以看待模拟转换器的方式看待数字转换器。这样就存在着只利用了这些数字转换器一部分潜能的风险，从而无法有效提升效率和降低运营成本。对电源架构来说下一个合理的步骤是变成软件定义的架构，充分利用数字电源的适应性，并引入软件控制，以便在工作状态变化时持续地管理电源。

软件定义的电源架构无论是对电源设计师和开发人员还是对数据中心运营商来说都是有潜在好处的。在软件级改编软件的能力不仅可以消除硬件设计风险，而且允许未来更快的完成项目。幸运的是，从模拟电源架构到软件定义电源的转变可以快速方便地实现，不需要开发新的技术或设计IP。

在实际使用中，软件定义的电源架构能够克服目前数据中心设计师和运营商面临的许多挑战。考虑到由于半导体工艺的变化而在各个电路板之间存在的微小差异，数字电源架构已经允许通过精细调整中间总线和负载点输出电压来优化工作效率。温度变化效应也能得到补偿。将这类调整交给软件控制来做可以实现总体效率的有效改进。然而这只是可能实现的改进中一个很小的方面。

软件定义的电源架构还可以进一步实现显著的效率增益，并有助于改善其它性能指标，比如可靠性和运行时间，方法可以是减小低需求期间对电源的压力，并实现可预见性的维护。此外，软件定义的电源架构可以随着通过激活或禁用电源满足不同的需求，并能够通过调整系统电压获得最佳的效率。

今天的处理器可以根据连接的处理负载使用自适应电压调整(AVS)功能调整它们的电源需求。在轻负载时，可以将供电电压和工作频率减少到执行要求任务所需的最小值。对自适应电压调整总线(AVSBus)的支持已被写进最新的PMBus标准版本1.3——用于电源设备之间通信的开放标准协议中。支持AVSBus可以让处理器自动调整合适的负载点输出电压，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剑。

在不断变化的条件下自动调整电源架构以确保最优工作效率不仅有助于最大限度地减小电源中的能量转换损耗，而且能够最大限度地减少对冷却系统的要求，从而进一步降低开启诸如托盘风扇和服务器房间空调等冷却系统消耗的能量。除了节省能源外，降低对冷却系统的要求还能腾出更多的空间用于安装服务器、交换机或线路板。

与此同时，软件定义的电源架构可以受益于可靠性的提高。连续调整系统以保持最佳效率并尽量减小发热量可以减少施加在中间总线转换器(IBC)和负载点(POL)转换器上的压力。最后一点，软件定义的电源架构还能最大限度地减少由于电源故障引起的宕机时间。

实际的软件定义电源

联网为把电源转换器从一个个孤岛改变为协作系统中的一个个单元提供了催化剂，这种协作系统能够响应位于软件定义的电源架构核心的中央控制器命令。开放标准PMBus是一个理想的媒介。市场上已经有兼容PMBus的前端交直流电源、数字负载点和IBC，它们为电源供应商开始为客户搭建软件定义的电源架构起到了关键的推动作用。


图2：开放标准PMBus为连接软件定义的电源架构中的转换器提供了理想的媒介。

软件定义电源正在增值的电源供电应用中快速获得普及。在这些系统中，数字电源的特性已经在向设计公司和最终用户提供经济上的好处。

不过设计人员需要时间创建模型和开发算法，以便充分发挥软件定义电源的优势。有些人可能会先在电路板级实现软件控制，后面再将机架和大功率转换级部分引入软件定义的架构。也有些人从大功率级开始，然后将软件控制向前延伸到栅极和电路板级。此外，早期的控制算法可能比较简单，只需依靠少量几个参数，但随着时间的推移，由于要更详细地分析更大的数据集，算法也会变得越来越复杂。

随着熟悉程度的加深，以及越来越多经过验证的设计被快速高效地复用进后面的项目，未来的设计师将能快速交付新的项目，并它精力集中在开发具有额外附加值的功能上，其中就包括预见性维护，这将有助于增强诸如正常运行时间等关键的性能指标，同时通过减少设备替换率降低资本成本。

CUI已经在诸如3kW PSE-3000的前端交直流电源、Novum系列数字IBC和非隔离式直流直流数字负载点(POL)转换器中实现了PMBus连接。使用工业标准协议与转换器通信的能力可以帮助设计师构建联网的、可数字控制的电源架构。

IBC可以提供各种标准砖尺寸，并且支持动态总线电压(DBV)，后者允许随着负载条件的改变通过调整IBC电压来优化转换效率。电压可以通过PMBus设置，或通过安装于IBC一体化ARM微控制器上的电源优化固件进行设置。IBC级的DBV，就像负载点的AVS一样，在最大化效率方面极有成效，方法是通过调整功率包络来适应负载条件，进而最大程度地减少浪费的能量。除了设置IBC电压外，PMBus接口还允许对电压余量、故障管理、精密延时爬升和启/停进行中央控制。

Novum负载点转换器允许PMBus命令控制与IBC模块内相似的因素，也允许软件控制电压定序和跟踪。

为了说明通过自动适应电源结构而可能实现的节能效果，考虑将平均效率为95%的一个前端交直流电源、工作效率为93%的一个IBC和一个工作效率为88%的负载点组合在一起。在所有三个转换器上，22.2%的输入功率以热量形式散发。如果每级效率只增加1%，能量损失可以减少到19.6%，相当于12%的改进，这可是相当显著的改进。另外，冷却负载的减少还能带来额外的能量节省。

未来

随着软件定义的电源架构在数据中心和电信办公楼的普及，这个行业需要依赖不同供应商提供的电源模块之间的互操作性。虽然PMBus在一定程度上实现了模块间连接的标准化，但有些命令开放解释，当与不同制造商的转换器一起使用时可能产生不同的结果。为了克服这个问题，由CUI、爱立信电源模块和村田公司组成的AMP GroupTM(现代电源架构师)通过合作对包括PMBus命令响应在内的诸多软件方面进行了标准化，并对诸如外形尺寸和引脚配置等机械细节也进行了标准化。


图3：AMP Group成立的目的是专门为软件定义的电源应用合作开发多源解决方案。

本文小结

软件定义的电源架构不仅可以在设计阶段提供效率改进和节能，而且能够降低基础设施主人所需的运营成本。更多的优势包括提高了可靠性以及实现可预见维护的机会，最终实现更长的正常运行时间。从基于模拟的电源架构转变为软件定义的电源架构正在快速进行中。随着电源设计人员对这种技术的不断熟悉，他们将能够快速和极具成本效益地提供越来越全面的、高效的和可靠的系统。