由于服務器對于處理數據通信至關重要，因此服務器行業與互聯網同步呈指數級增長。盡管服務器單元最初是基于PC架構的，但服務器系統必須能夠處理日益增長的網絡主機數量和復雜性。

　　顯示了數據中心中典型的機架服務器系統以及服務器系統的框圖。電源裝置 (PSU) 是服務器系統的核心，需要復雜的系統架構。本文將研究五種服務器 PSU 設計趨勢：功率預算、冗余、效率、工作溫度以及通信和控制。

　　1. 功率預算

　　在21世紀初，機架或刀片服務器 PSU 的功率預算在 200 W 至 300 W 范圍內。當時，每個中央處理單元 (CPU) 的功耗在 30 W 至 50 W 范圍內。

　　如今，服務器 CPU 的功耗約為 200 W，熱設計功耗接近 300 W，這使得服務器 PSU 的功率預算大大增加至 800 W 至 2,000 W。為了支持越來越多的服務器計算需求，例如互聯網上的云計算和人工智能 (AI) 計算，服務器可以包含圖形處理單元 (GPU) 與 CPU 一起工作。這一納入可能會在五年內將服務器的功率需求增加到 3,000 W 以上。然而，由于大多數機架或刀片服務器 PSU 仍然使用額定電流高達 16A 的交流入口，因此它們的功率預算有限：考慮到轉換器效率， 240V交流輸入時功率預算約為 3,600W。因此，短期內 3,600 W 仍將是服務器機架 PSU 的功率限制。

　　對于數據中心電源架，服務器 PSU 設計人員廣泛應用國際電工委員會 (IEC) 60320 C20 額定電流為 20A 的交流電源插座。 PSU 功率預算受到其交流入口額定電流的限制，在當今的數據中心 PSU 中允許大約 3,000 W;但在不久的將來，數據中心 PSU 的功率水平可能會增加到 5,000 W 以上。為了允許每個 PSU 具有更高的功率預算并實現更高的功率密度，您還可以在交流入口處使用母線來增加輸入電流額定值。

　　1. 冗余

　　服務器系統中可靠性和可用性的重要性需要冗余 PSU。如果一個或多個 PSU 發生故障，系統中的其他 PSU 可以接管供電。

　　一個簡單的服務器系統可以具有1+1冗余，這意味著系統中有一個活動電源單元和一個冗余電源單元。復雜的服務器系統可能具有 N+1 或 N+N (N>2) 冗余，具體取決于系統可靠性和成本考慮。為了在需要更換PSU時保持系統正常運行，系統需要熱插拔(ORing控制)技術。由于 N+1 或 N+N 系統中多個 PSU 同時供電，因此服務器 PSU 還需要均流技術。

　　即使 PSU 處于待機模式(不從其主電源軌向輸出供電)，仍然需要在熱插拔事件后立即提供全功率，因此需要不斷激活功率級。為了降低冗余電源在待機模式下的功耗，“冷冗余”功能正在成為一種趨勢。冷冗余的目的是關閉主電源運行或以突發模式運行，使冗余PSU能夠最大限度地減少待機功耗。

　　1. 效率

　　2000 年代初期的效率規格略高于 65%;當時，服務器 PSU 設計者并沒有優先考慮效率。傳統轉換器拓撲可以輕松滿足 65% 的效率目標。但由于服務器需要持續運行，更高的效率可以大大降低總體擁有成本。

　　自2004年以來，80 Plus標準為PC和服務器PSU系統提供了可實現80%以上效率的認證。目前量產的服務器電源大多達到80 Plus Gold(>92%效率)要求，有些甚至可以達到80 Plus Platinum(>94%效率)。

　　目前正在開發的服務器 PSU 主要針對更高的 80 Plus Titanium 規格，該規格要求半負載時峰值效率超過 96%。此外，根據數據中心 PSU 遵循的開放計算項目 (OCP) 開放式機架規范，PSU 需要實現超過 97.5% 的峰值效率。因此，無橋功率因數校正 (PFC) 和軟開關轉換器等新拓撲，以及碳化硅 (SiC) 和氮化鎵 (GaN) 等寬帶隙技術可以幫助 PSU 實現 80 Plus Titanium 和開放計算效率目標。

　　1. 工作溫度

　　在服務器 PSU 熱管理方面，設計人員將 PSU AC 入口(風扇所在位置)的環境溫度定義為服務器 PSU 工作溫度。 2000 年代初，工作溫度最高為 45°C，如今達到最高 55°C，具體取決于服務器機房的冷卻系統。

　　較高的工作溫度可降低服務器冷卻系統的能源成本。與數據中心的資本支出(例如硬件設備)相比，隨著時間的推移，作為運營支出的能源成本預計將高于資本支出。根據電力使用效率(PUE)標準：

　　PUE = 數據中心總功率/實際 IT 功率

　　PUE值越低意味著數據中心效率越高。不同工作溫度下PUE值的估算。例如，PUE 為 1.25 的數據中心只能允許其冷卻系統消耗總功耗的 10%。這意味著服務器 PSU 需要更高的工作溫度。

　　1. 通訊與控制

　　多年來，通信和控制在服務器電源中發揮著重要作用。 2000年代初，PSU的內部信息通過系統管理總線接口傳輸到系統側。 2007年，電源管理總線(PMBus)接口增加了功能，包括配置、控制、監控和故障管理、輸入/輸出電流和功率、板溫度、風扇速度控制、實時更新代碼、過壓(電流、溫度)和保護。隨后，為了滿足數據中心電源架日益增長的需求，控制器局域網總線 (CANBus) 成為服務器電源通信的一部分。

　　電源管理控制器也隨著通信總線的發展而發展。在 2000 年代初期，模擬控制器主要控制服務器 PSU。隨著越來越多的控制需求增加了通信需求，使用數字控制器實現這些需求變得更加容易。使用數字控制還可以減少硬件工程師的調試工作量，從而有可能降低 PSU 設計和驗證階段的勞動力成本。

　　服務器電源未來發展趨勢

　　隨著服務器功率預算的增長而容量保持不變，功率密度要求將變得更加嚴格。新開發的服務器 PSU 的功率密度已從 2000 年代初的個位數增加到近 100 W/in 3 。通過拓撲和組件技術的發展來提高轉換器效率是實現高功率密度的解決方案。

　　與電流、功率和效率趨勢一樣，理想的二極管/ORing 控制器需要在小型封裝中提供高電流。理想的二極管/ORing 控制器還必須集成監控、故障處理和瞬態處理等功能，以減少實現這些功能所需的總體組件數量和 PCB 面積。

　　例如，服務器 PSU 中的 PFC 電路已從無源 PFC 發展到有源橋 PFC，再到有源無橋 PFC。隔離式 DC/DC 轉換器已從硬開關反激式和正激式轉換器發展到軟開關電感-電感-電容諧振和相移全橋轉換器。非隔離式 DC/DC 轉換器已從線性穩壓器和磁放大器發展到具有同步整流器的降壓轉換器。隨后整體效率的提高減少了內部功耗和解決熱問題所需的工作。

　　適用于服務器 PSU 的組件技術也不斷發展，從 IGBT 和硅 MOSFET 發展到碳化硅 MOSFET 和氮化鎵 FET 等寬帶隙器件。 IGBT 和硅 MOSFET 的非理想開關特性將開關頻率限制在 200 kHz 以下。雖然寬帶隙器件的開關特性更接近理想開關，但使用寬帶隙器件可以實現更高的開關頻率，從而有助于減少 PSU 中使用的磁性組件的數量。

　　隨著工作溫度的升高，服務器 PSU 中的組件需要承受更高的熱應力，這也推動了電路的發展。例如，傳統的實現方式是將機械繼電器與電阻器并聯，以抑制啟動期間的輸入浪涌電流。但由于其體積龐大、可靠性問題和較低的額定溫度，固態繼電器現在正在取代服務器 PSU 中的機械繼電器。

　　3.6kW 單相圖騰柱無橋 PFC 設計具有 >180W/in 3功率密度，3kW 相移全橋采用有源鉗位設計，具有 >270W/in 3功率密度，旨在滿足常見的服務器中的冗余電源規格。

　　在 3.6 kW PFC 設計中，固態繼電器可適應高工作溫度。此處，LMG3522R030 GaN FET 支持使用無橋圖騰柱 PFC 拓撲。 “嬰兒升壓”減少了大容量電容器的體積，以獲得更高的功率密度。

　　在 3kW 相移全橋設計中，LMG3522R030 GaN FET 有助于降低循環電流，并可實現軟開關。有源鉗位電路充當無損緩沖器，可實現更高的轉換器效率和更低的同步整流器電壓應力。上述所有控制要求均通過C2000單片機作為數字控制處理器來實現。