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从电网到芯片，为数据中心供电
最新CPU和GPU的高时钟频率使其能够胜任人工智能和游戏等高强度处理任务。但这并非没有代价：每次时钟周期跳变都会产生电流峰值，电源会向芯片输送电流，而更高的时钟频率意味着每秒更多的电流峰值和更高的平均值。为了最大限度地降低功耗，电压轨被尽可能地降低，但这与速度之间存在权衡：较低的供电电压会降低逻辑转换的转换速率，从而限制可达到的最大速度。.
如何控制时钟频率以获得最佳性能的问题自计算机诞生之初就已存在——当最初的 8086 处理器运行频率为 4.77MHz 时，由于速度更快的 CPU 被取代，不得不引入‘睿频加速’按钮来降低时钟频率，以便当时的旧版软件能够兼容。如今，时钟频率可以动态调节，主要目的是为了实现最佳的功能和散热性能。复杂的算法会监控工作负载、活动核心数、处理器温度，并估算实际电流消耗和功耗。电压轨不再是固定值，而是可以在处理器控制下通过‘动态电压调节’（DVS）进行调节，从而在不超出芯片临界温度的情况下，实现速度和功耗的最佳组合。处理器厂商将‘热设计功耗’（TDP）定义为在特定散热方案下可以持续散发的最大功率，并将‘平均 CPU 功耗’（ACP）定义为对实际运行情况的估算值。 TDP 通常比 ACP 高 50%，但短时间内的峰值功率需求可能更高 50%。在这些峰值期间，芯片温度可能超过绝对最大值，因此持续时间被限制在远小于一秒的范围内，并采用受控的重复频率，以使温度保持在安全范围内。.
处理器电源轨管理的目标是最大限度地提升终端用户的性能，但节能和系统成本同样重要。近年来，随着视频流媒体和会议、社交网络、人工智能、机器学习和物联网的蓬勃发展，数据中心的功耗激增。预计到2025年，全球‘数据圈’的实时数据量将比2018年增长十倍，达到51泽字节[1]，这一趋势还将加速。国际能源署估计，2020年数据中心的能源消耗量约为全球供应量的1%，即200-250太瓦时，而如今，这一数字可能已经翻了一番，并且还在持续增长。鉴于此，随着性能优化需求的不断增加，峰值与平均功率需求的比率也在不断上升，数据中心的供电和配电系统的规模和成本也随之飙升。如果电力系统必须‘持续’满足峰值负载的额定功率，那么这种增长可能就不成比例了，这将带来巨大的财务和空间负担。.
具有浪涌额定值的电源转换器可减轻问题
一种缓解策略是采用额定功率能够持续满足平均负载需求，但也能短时间内提供峰值或浪涌功率的功率转换器。与处理器类似，转换器也具有由最高内部温度决定的‘热设计功率’，但可以根据初始温度进行设计，使其能够在瞬时提供更高的功率。在这种策略中，从负载点转换器向上游依次经过总线转换器、AC/DC转换器和功率因数校正级，每个后续的功率转换级都必须具有相似的浪涌功率额定值。在处理器电压较低的情况下，甚至在5V或12V的中间总线电压下，由于物理尺寸的限制，增加电容储能来满足所需的峰值需求是不切实际的。.
该方案的优势在于，转换器可以做得更小巧、成本更低，并且可以选择在平均负载功率下实现最佳效率，从而最大限度地降低长期损耗。然而，峰值功率转换器的设计难度更大——必须准确识别并监控浪涌期间的内部热点，以确保其不超过限值，从而降低部件可靠性。此外，还必须加入独立的过温关断机制，以应对各种故障情况，尤其是安全机构测试中故意设置的故障，这些测试会探索输入电压、输出电流和环境温度的最差组合。对转换器（特别是峰值功率转换器）进行数字化控制和监控是理想的选择，这样既可以提供动态电压调节功能，又能将电流和温度读数传输到电源管理控制器或处理器。转换器的快速负载瞬态响应时间对于充分利用动态电压调节 (DVS) 以及在峰值功率需求期间将输出电压保持在规格范围内也至关重要。.
Flex 功率模块就是一个具有高浪涌额定值的中间总线转换器的典型例子。 BMR491 该系列产品包含一个额定功率为 1540W 的四分之一砖型器件，该器件还可在一秒内提供高达 2450W 的峰值功率（见图）。输入电压为 48-60V，输出电压为 12V，瞬态响应时间为 300µs。PMBus® 数字界面提供必要的控制和监控，并得到以下支持： 伟创力电源设计器 配置软件。.
Flex 功率模块采用 BMR491X208/857 总线转换器，额定功率为 1540 W 连续功率和 2450 W 峰值功率。
随着数据中心吞吐量的提升和处理器采用越来越巧妙的节能方式，电源系统也必须具备相应的智能性。拥有峰值功率能力和全面的数字控制功能，才能真正实现这一点。.
参考
