PSU
Power Integrations GaN技術提高PSU輸出功率
Power Integrations日前宣布其InnoSwitch3-MX隔離式切換開關IC系列增加了三款新型PowiGaN裝置。作為搭載Power Integrations InnoMux控制器IC晶片組的一部分,新的切換開關IC現在支援顯示器和電器電源應用,其連續輸出功率高達75W(無散熱片)。
Power Integrations產品行銷經理Edward Ong評論指出,透過使用該公司的PowiGaN技術,該公司可以解決採用LED顯示器的電視、監視器和電器中更高輸出的應用。這款晶片組提升了效率,超出了所有強制性法規的要求,同時提高了製造商在歐盟能效標章計畫中的分數。
InnoMux晶片組採用獨特的單級電源架構,與傳統設計相比,可將顯示器應用中的損失降低50%,進而將定電壓和定電流LED背光驅動器設計的整體效率提高到91%。此外,透過消除後期調節(亦即降壓和升壓)階段的需求,電視和監視器設計人員可以將元件數量減少一半,進而提高可靠性並降低製造成本。由於具有750V的高崩潰電壓,PowiGaN InnoSwitch3-MX零件還非常堅固,並且對線電壓突波和上升具有很高的抵抗力,這種情況通常發生在主電源電壓不穩定的地區。
InnoSwitch3-MX返馳式切換開關IC整合了一次側切換開關、一次側控制器、二次側同步整流控制器和PI創新的FluxLink高速通訊鏈路。InnoSwitch3-MX從其晶片組夥伴InnoMux IC接收控制指令,InnoMuxIC會獨立測量每個輸出的負載要求,並指示切換開關IC向每個輸出提供正確的功率,進而保持電流或電壓的精確調節。
現已提供INN3478C、INN3479C、INN3470C InnoSwitch3-MXIC的樣品,每次訂購數量為10,000件,價格分別為2.52美元、3.14美元和3.71美元。PowerIntegrations網站上提供晶片組的技術支援資訊,網址為:https://ac-dc.power.com/products/innomux-family/
提高連接器空間強化密度 資料中心電源管理效率大增
對於現代的連接器設計來說,一方面對電源的要求一直在穩步提升,也因此,令解決空間和發熱問題亦變得越來越重要。
如今,全球每分鐘的網路傳輸量將近9,000萬筆,也就是每秒鐘150萬次。全部的電子郵件、應用下載、視訊傳輸、社交媒體互動,以及零售購買等,都是透過一個全球性的資料中心網路而實現的。在交換機、路由器及冷卻設備所構成的網路的支援下,這些資料中心可以容納多達10,000台的伺服器,而這一切設備都要依靠越來越多的電力才能良好運行。
根據研究單位預估,美國資料中心的耗電量每五年就會倍增,這樣,對於支付電費的資料中心業主、必須根據需要提供電力的電氣公用事業部門,以及關心著大規模發電所產生的廣泛影響的政府官員們來說,電力的消耗速度正越來越多,相當值得關注。
向資料中心輸送電力的網路,同時也在向家庭和商業供電;然而,儘管美國家庭一般是使用220伏的電力,資料中心卻必須採用數千伏的電壓才能滿足處理器執行在電力上的巨大需求,這些處理器在計算能力上處於核心地位,推動著網際網路的運作。
轉換與分配決定電源架構效率
資料中心採用一種稱為「電源單位效率」的方法來評估電源架構的效率,此方法也稱為PUE。
PUE是將輸送到資料中心的總功率除以輸送到關鍵負載(伺服器)的功率,而理想的PUE值為1。舉例來說,1.7的PUE意味著,每向負載輸送1瓦的功率,在配電和冷卻上就要損失掉0.7瓦。根據報導,2018年對資料中心測得的PUE水準在1.6左右。
最重要的轉換過程之一就發生在機架上。為了達到所需的計算能力,會需要數千台的伺服器。除了伺服器以外,還要利用交換機來管理伺服器之間,以及從伺服器到外界的通訊。
在大量的電力所輸送到的機架上,容納著30~35台的1U伺服器,這些伺服器越來越多地利用3,000千瓦的供電機組(PSU)來供電。
PSU通常位於機架的底部,可以將電力轉換成電壓水準各不相同的電源軌。以208伏直流電壓進入到PSU的電力將轉換為3.3、5和12伏的電源軌,從而滿足伺服器和交換機內部各種不同元件的需求,例如含處理器的主機板、適配器卡和顯示卡、PCIe和記憶體等等。
此外,機架中還會容納提供冷卻氣流所需的大量風扇。輸送到伺服器的很大一部分電力都會轉換成熱量。在電力從交流轉換成直流,以及從直流轉換成直流的過程中,在轉換過程中自然而然會發生這種熱損失。
封裝/熱為功率管理兩大挑戰
對這種與日俱增的功率進行管理,在涉及到封裝空間和熱管理的時候,就會產生巨大的挑戰。儘管對電源的需求一直在穩步提升,為電源以及背部的重要連接器分配的空間卻並沒有發生過變化。
回到伺服器部署的早期時候,伺服器系統基礎設施(SSI)要求使用400~600瓦的電源,而電源I/O則會使用4~6台葉片式電源,其中每個葉片的額定電流為30安,從而將所需的功率輸送到伺服器。時至今日,對於連接器企業的要求則是電源I/O在相同空間內承載的電流能夠達到以前的三倍。
基準性的規範可能會需要6~8台葉片式電源,其中每個葉片能夠承載70~80安的電流,並且溫升(即T-rise)不超過30度。在確定這類電源連接器的額定值時,對電流進行測量可以作為一種很直觀的方式。
然而,溫升的測量則極其的複雜,像是連接器內部熱電偶的位置等問題,會對溫度的測量產生影響。PSU中線路層含銅的印刷電路板、線路層的厚度以及體積上的設計,都會與溫升有關。在熱評估過程中,往往會觀測到熱量從印刷電路板傳遞到連接器,由於連接器的供應商並不希望使連接器起到散熱片的作用,這就引起了一場關於適當的熱平衡的討論。
加強連接器密度降低資料中心成本
連接器的設計人員現在不得不去考慮各種具有創造性的熱量和電流管理解決方案。儘管在連接器的額定值計算中不能將氣流考慮在內,目前在外殼中經常會設計通風功能,以便耗散掉熱量並防止過熱。
由基礎物理學得知,為承載更多電流,需要的只不過是更多銅材料。在銅合金領域取得的進步可以提高導電性,但這些進步並不會跟得上對更高電流密度的需求。同樣,觸點設計上的改進可以改善PSU介面和連接點之間經常發生的功率損耗的情況,這種連接點可能是互連系統的插入部分,有時候也會是印刷電路板的卡邊緣,但是並不能依靠這些改進成果來顯著的提高電流密度。
廣大的客戶目前正要求連接器的設計人員來減小電源觸點之間的中線間距;然而,縮小間距會在印刷電路板的體積上以及連接器本身的內部造成相互發熱的問題。
連接器在過去40年來主要圍繞著提高密度而發展。但是,業界現在正走向另一個階段,那就是必須考慮增加空間以提高功率,或者是對用於評估連接器效能和額定值的慣例進行檢驗。據認為,資料中心的電效率每提高1%,就會節省數以百萬美元計的成本。由於節省成本的潛力是如此之大,在資料中心的業主、電氣公用事業的提供商以及政府官員之間的活躍討論當然還會繼續進行一段時間。
(本文作者為Molex電源產品總監)
GaN功率元件大舉出籠 PSU應用仍須努力
GaN功率元件由於在製程上可以和現有的矽材料整合,形成單片(Monolithic) IC,加上材料本身的價格遠比碳化矽來得便宜,因此在消費性電源產品跟伺服器電源領域,有一定的發展潛力。然而,由於GaN功率元件的架構跟材料特性不同,使得工程師在導入GaNFET時,必須使用不同於傳統MOSFET的驅動方式,且必須把GaNFET缺乏短路跟過載保護的特性納入設計考量中。
相較於主攻高電壓應用市場的SiC,GaN則是靠著高速切換、低損耗且價格較貼近現有矽元件的優勢,可望在消費類及IT基礎建設領域找到應用商機。但有業界人士指出,因為GaNFET跟MOSFET的應用高度重疊,因此在GaNFET剛商品化之際,有些電源工程師沒有先釐清GaN FET與MOSFET的特性差異,以為只要用GaNFET取代現有的MOSFET,並在系統設計上稍加修改,就能獲得GaNFET供應商所宣稱的效能提升。但事實上不是如此。
與現有的MOSFET相比,GaNFET最大的優勢在於可高速切換,而且反向恢復電荷(Qrr)極低,這意味著使用GaNFET的系統,理論上應該要有更低的功率損耗,並具備更高的能源轉換效率。但事實上,如果只是單純用GaNFET取代MOSFET,驅動控制沒有跟著修改,不僅無法發揮GaNFET的潛力,還可能因為GaNFET缺乏短路跟過載保護的功能,導致電源系統更容易出問題。
另一方面,如果要讓GaNFET完全發揮其潛力,電源設計一定要以高速切換為指導原則,但這會使電磁干擾(EMI)的風險增加,印刷電路板的線路布局也必須提出相應的對策。這也是GaNFET在商品化初期,有些電源工程師直接在現有系統設計中以GaNFET取代MOSFET,常常遇到的狀況。
綜合上述討論,要讓GaNFET發揮其潛能,整個電源供應器的系統設計都必須重新來過。因此,只有經驗老道、人力充沛的電源產品設計團隊,才適合直接用GaNFET來開發電源系統產品。如果是對電源設計經驗不那麼充足,人力也不夠的小型開發團隊,必須尋找整合度更高,亦即把驅動跟FET整合在一起的解決方案,甚至是直接從元件供應商提供的系統參考設計修改出自己的設計。
不過,倘若上述可靠度跟驅動控制的問題能夠解決,基於GaN的功率元件很有機會取代目前市場上大多數的超接面(Superjunction) MOSFET。
事實上,目前市場上已經有基於GaN的可攜式USB PD充電器,最大輸出功率可達60W。與傳統的充電器相比,這些新一代的充電器外觀尺寸更小巧,重量也更輕。因此,雖然這類GaN充電器的價格仍比一般的USB PD略高,還是有消費者願意買單。近日包爾英特(PI)正式發表其基於GaN的Innoswitch-3離線CV/CC返馳式切換開關IC系列新品,主打的應用之一就是輸出功率60/100W的USB PD充電器。該元件的一次側以GaNFET取代了傳統MOSFET,減少了電流流過時的導通損耗,並大大降低了運作期間的切換損失。該系列IC在整個滿載範圍內的轉換效率高達95%,
USB PD充電器是GaN功率元件進入應用市場一個很重要的突破點。
GaN的功率輸出能力當然不只如此,但對USB PD充電器業者來說,把產品的輸出功率做到60W,就已經綽綽有餘。因此在進行產品開發時,業者最主要的設計考量是盡可能縮小尺寸、降低重量,讓產品的差異化賣點得以凸顯。
在更大功率的PC/伺服器PSU方面,該業界人士表示,桌上型電腦的PSU可能短期內都還看不到GaN的機會,因為這個市場對元件的價格非常敏感,且桌上型電腦的PSU外觀尺寸已經標準化,就算GaN元件能把PSU的體積縮小、重量減輕,意義也不大。至於伺服器電源,則得看系統OEM/ODM業者的客戶是誰。如果OEM/ODM接的是惠普(HP)、戴爾(Dell)的標準伺服器訂單,其所使用的PSU應該還是基於傳統MOSFET,因為成本上還有一些落差;但如果OEM/ODM是直接供貨給亞馬遜(Amazon)、Google或Facebook,這類客製化伺服器的PSU導入GaN功率元件的可能性就不小。
因為網路大廠在評估伺服器的時候,是從整體持有成本(TCO)的角度出發,而不是只看購買硬體的價格。基於GaN的伺服器PSU,轉換效率可以達到95%水準,這對節省資料中心的耗電量,可帶來很大的幫助。