解决服务器功率转换效率问题,新一代MOSFET居然有这么大能耐
随着网际网路应用与资料可用性的增加,预期未来伺服器的使用将随之增加。相关资源的大幅增加,将为主要网际网路供应商,带来能源需求的问题,而伺服器制造商对于高效率能源利用的需求也将提高。
另外,在伺服器场浪费的每一瓦电力,不仅影响电费,同时也会影响维持较低环境温度的空调运作。最终,能源成本的降低,与所选伺服器场的架构无关。
在伺服器中,可能有数种能源的损耗,但在许多案例中,由于高功率的需求,CPU与记忆体的电源供应器(DC-DC转换器),是承受最大压力的元件。
此外,在部分案例中,例如刀锋伺服器(图1),由于小尺寸外型,因此不太可能在机壳内部进行散热。最终,高效率伺服器,将需要高效率DC-DC转换器,并且受到降压转换器中,所使用电源开关选择的影响。
图1 刀锋伺服器的尺寸外形较小 图片来源:DELL
英飞凌可协助工程师建立更有效率且小型的伺服器,提供名为Power Block的新型系列产品,可在5.0×6.0mm2的尺寸中提供两个开关。本文介绍Power Block,并说明相较于标准独立解决方案,做为一对SuperSO8的优点,以对应出量化应用的需求。
负载差异范围颇大 功率转换器设计为首要考量
目前已有许多文件,可协助工程师设计完整的降压转换器(请参阅参考资料1),但在开始设计阶段之前,完全了解应用需求,及自己的优先顺序是很重要的。伺服器与电信应用中的功率转换器,最重要的技术要求,来自系统与负载规格。
负载曲线会依据处理器利用率及伺服器所需的工作种类而定。在许多案例中,负载的差异可从数百安培到几安培。由于负载分布大多数时间,处于中低负载(请参阅参考资料2),因此,重点在于让此范围的效率达到最高,并且在满载时不牺牲过多的效率。
伺服器机壳内部的环境温度范围为50℃,假设PCB的最高温度约为100℃,允许功率级在满载时,因为功率消耗,而使温度仅增加50℃至60℃。PCB的最高温度,依据PCB的材质、结构与所需使用寿命而定。100℃是FR4材料一般可接受的极限(请参阅参考资料3)。
图2显示典型的伺服器基板简化配置。专属于CPU电源供应器的区域,基本上为梯形,主要由CPU与伺服器之间的资料连线路径,以及伺服器的插槽大小所定义。
图2 简化的客户配置
此形状决定CPU的功率转换器区域,通常包含具有四∼六相位的多相位降压转换器。相位数依据功率需求而定,功率转换器所需的区域在1000mm2的范围内。
此区域也会间接受到切换频率fSW的影响:切换频率越高,在输出中做为滤波器使用的被动元件所需区域就越小。为了达到高fSW,很重要的是必须有几奈秒范围内的过渡时间;在目前的设计中,fSW在500kHz的范围,过渡时间则在1奈秒的范围。表1摘述应用的需求。
为适应负载曲线 Power Block具不同导通电阻
这三项需求是相互依存的。例如,以低功率消耗为目标,需要在功率MOSFET中,具备低电阻。依据矽与封装技术而定,这可能须要使用较多的面积。反之,若以小尺寸封装为目标,可能会使热传导至功率级外部的情况更加恶化。
在过去,降压转换器拓朴所使用的两个MOSFET,通常采用两种不同封装,例如SuperSO8或S3O8,尺寸分别为5.0×6.0mm2与3.0×3.0mm2。由于矽技术不断进步,晶粒尺寸持续缩小,可提供更小封装。由于两个MOSFET,现在可整合为单一5.0×6.0mm2封装,相较于SuperSO8解决方案,可减少50%的使用面积。
Power Block系列产品包含三个装置,它们共用与低侧MOSFET同样的面积,并具备不同的导通电阻RDS(on),以更妥善地适应不同的负载曲线。所有产品皆采用5.0×6.0×1.0mm2非对称双模压封装,脚位间距为1.27mm。
具备单片整合类肖特基二极体的装置,在长停滞时间控制(20ns)的驱动器上可提升效率峰值。
图3显示装置的接脚输出与电气连接。我们可清楚看到装置分为两个区域:上方区域专属于高侧MOSFET。接脚1专属于闸极连接。接脚2用于驱动器的Kelvin连接。接脚3、4与9专属于高侧MOSFET的汲极,并连接至输入电压,接脚9可为PCB提供良好的热连接。
图3 接脚输出(底视图)与电气连接(俯视图)
装置的底部区域,专属于低侧MOSFET。接脚5、6与7连接桥的中间点(VPhase)与电感器。接脚8是低侧MOSFET的闸极连接。接脚10是低侧MOSFET的源极,通常连接至PCB的接地。此连接尺寸刻意加大,类似高侧MOSFET,目的是与基板维持良好的热连接。明显的好处是减少矽装置覆盖的面积。另外,较小的功率级面积,有助于降低寄生电感,在高切换频率时可提升系统效率。
Power Block已针对伺服器应用进行最佳化。在装置的效率与热效能方面,
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