用于定制解决方案和应用的前端电源

毫无疑问，超级计算机架构师在构建更强大的机器时首先考虑的是他们的新机器将集成的处理器和处理器内核的性质和数量。当然，支持超级计算机性能飞跃所需的创新较少。旨在提供不断提高的效率和功率密度的电源对于支持超级计算和高性能计算 （HPC） 的进步至关重要。

机架功率密度稳步提高

越来越多的公司依靠超级计算和 HPC 来处理不断增长的数据池。这些公司越来越多地使用人工智能 （AI） 和机器学习 （ML） 来提取可用于竞争优势的见解。对更多处理能力的需求是永不满足的。满足这种需求几乎总是基于增加处理器和处理内核的数量。超级计算机已经消耗了大量的电力，而且它们已经消耗了大量的热量。当然，添加处理器会增加功耗和散热量。

图1.随时间变化的平均机架功率密度

根据 Uptime Institute 2020 年的一项调查，服务器机架的平均功率密度在过去 3 年中增加了 5.10 倍，达到每个机架 8.4 kW（见图 1），现在 10% 的应用超过每个机架 30 kW（2020 Uptime.com）。功率密度的提高不仅需要高效的电源来减少热量输出，而且通常需要针对特定应用的定制来优化性能并提高可靠性。

改进的标准产品缩短了开发时间

合适的电源不一定是完全定制的设计。定制设计需要时间和金钱来开发和实现顶级效率和性能并不容易。通常，应对这一挑战的更有效解决方案是修改性能已得到证明的现有标准产品。像Bel Power Solutions这样的内部公司可以提供修改后的标准产品的快速工程样品，以满足特定的应用要求。

下面的讨论涵盖了Bel的内部修改解决方案，包括机架式前端钛金和铂级电源，具有定制的机械功能，电气性能和固件/ PROM编程。

效率在高性能应用中至关重要

随着机架功率密度的增加，电源效率的重要性也随之增加。当系统通电并使用电力时，PSU 将交流（交流）电源转换为直流（直流）电源。但是，问题是在此过程中电源会消耗功率。这就是效率等级的用武之地。效率是提供给负载的输出功率与提供给PSU的输入功率之比（公式1），这两个值之间的差值是PSU内部作为热量耗散的功率量（公式2）。

等式 1.

效率 [%] =输出功率 [W]输入功率 [W]x 100

等式 2.

功耗 [W] = 输入功率 [W] - 输出功率 [W]

内部电路设计和组件决定了 PSU 将耗散多少功率。较低的效率表示 PSU 内部消耗的功率更多，因此产生更多的热量。必须从系统中去除这种热量，这通常会增加系统设计的成本和空间。

Bel Power Solutions 的前端电源提供行业领先的效率和功率密度。标准产品均旨在满足 80-PLUS 计划定义的钛 （TET） 或铂金 （PFE） 级效率。这为设计人员提供了广泛的高效选项，可用作定制解决方案的基本模型。

80 PLUS 认证计划

为了全面了解电源的效率性能，需要多个数据点。电源不会在 100% 负载下运行其整个使用寿命;实际上，更典型的做法是朝额定功率的中端或低端运行。因此，测量几种不同功率水平下的效率非常重要。

自愿性的 80 PLUS 认证计划将负载考虑在内，并根据电源在多个指定负载条件下的效率对电源进行分类。在 2004 年首次开发时，该程序只有一层，在 80 Vac 输入下，在 20%、50% 和 100% 负载下需要至少 115% 的效率。从那时起，增加了更多的层次，并由熟悉的元素金属识别（见表1）。除了效率级别之外，还有一些产品类别对每个级别都有自己的特定限制，包括工业电源、内部冗余电源和采用 380 Vdc 输入运行的电源。

表 1.80 多个级别和 230V 交流内部冗余电源的要求

 

效率水平	10% 负载	20% 负载	50% 负载	100% 负载	50% 负载时的最小功率因数
青铜	不适用	81%	85%	81%	0.9
银	不适用	85%	89%	85%	0.9
金	不适用	88%	92%	88%	0.9
铂	不适用	90%	94%	91%	0.95
钛	90%	94%	96%	91%	0.95 @ 20% 负载

 

在评级的高端是80 Plus白金和钛评级。超级计算机或高性能计算应用程序可能至少需要白金级 PSU。在所有测试负载条件下，铂金电源将最低效率提高到90%或更高，并将所需的功率因数从0.9提高到0.95。钛合金不仅提高了20%和50%负载下的效率限制，而且还增加了10%的负载要求，并将电源必须保持0.95功率因数的负载降低到20%，从而进一步突破了极限。

钛效率在大规模操作中比铂金节省大量成本

随着超级计算机、数据中心和 HPC 应用程序所需的功率增加，顶级钛金效率的优势也在增加。铂金和钛金等级之间的 1-2% 差异可能看起来并不大，但对于前端 PSU 功率的许多应用来说，每一个百分点都很重要。

例如，在 2% 负载下运行的 50 kW 应用，铂金的功耗为 63.8 W，钛的功耗为 41.6 W。22.2 W 的差异表示从铂级电源切换到钛金属电源时的功耗降低了 35%。对于容纳数百或数千个机架的数据中心，节省的成本可以迅速增加。表 2 提供了从铂级电源切换到钛级电源可以实现的成本节约示例。这促使Bel将其行业领先的专业知识集中在钛级前端电源的开发上。

表 2.铂金和钛金属效率水平之间的成本差异示例

 

2 kW 电源，在 50% 负载下运行 （1 kW）	铂	钛	钛 – 白金节省
效率	94%	96%	2%
功率损耗	63.8 瓦	41.6 瓦	22.2 瓦
年度能量损失	559 千瓦时	364 千瓦时	195 千瓦时
年能源使用量	9319 千瓦时	9125 千瓦时	195 千瓦时
年度能源账单@ $ 0.12 /kWh	$1，118	$1，095	$23
每个机架 40 台服务器的年度能源成本	$44，720	$43，800	$920
具有 1000 个机架的数据中心的年度能源成本	澳元 $44，720，000	澳元 $43，800，000	$920，000

 

BEL 支持对标准产品进行广泛的修改

Bel 前端采用市场上最广泛的前端电源，采用最新的集成电路 （IC），可提供行业领先的效率和功率密度。但是，实现最高效率并不是领先应用的唯一要求。这些应用程序往往具有独特的和特定于应用程序的要求，这些要求是现成的，并且通常会导致需要自定义。

图3.TET1500 框图

为了使这些顶级电源可供具有特殊要求的应用使用，Bel 的工程师利用其广泛的行业领先设计产品组合以及内部原型输入功能，开发了一种修改现有设计以满足特定客户需求的有效流程。Bel 的专家团队可以修改其众多标准产品中的任何一种，以快速生产用于测试和鉴定的工程样品。这些功能缩短了开发时间，并降低了开发完全定制设计所涉及的风险。

机械修改

许多常见的修改与电气性能无关。这些修改可以像更改颜色一样简单，以匹配品牌标准或机架中的其他设备。修改还可以包括增加前边框或调整机械尺寸或形状以适应独特的外形。

修改设备外观很容易实现，因此最终用户可以混合搭配机架中的其他产品。Bel 还可容纳客户特定的输入和输出连接器、机械键控、特定零件编号和特定包装。作为一种选择，Bel 将满足机械师特定尺寸的独特应用。

高背压应用

改装也可以用于高背压应用。在实际系统中运行时，PSU 用户可能会影响 PSU 冷却。当系统风扇与 PSU 冷却、高阻力进气或排气竞争时，会发生这种情况。这减少了通过PSU的净气流，从而产生了昂贵的“背压”问题。在设计之初，必须了解电源、风量要求，以及这可能如何影响最终应用操作。

电气性能修改

对标准模型的其他潜在修改包括对电气规格的更改，例如输出电压设定点、输出电流限制、保持时间和峰值功率。对于在控制较少的环境中运行的应用，工作温度也可以延长。

使用现成的电源可能很难实现峰值性能。Bel前端的高级数字控制使他们能够调整关键规格，以针对特定应用进行优化。输出电压的选择等项目取决于许多因素，并会显著影响系统性能。现成的电源通常仅限于几个分立电压选项。为了避免设置次优电压，Bel 的工程师可以快速修改现有标准产品的设定点电压，以帮助实现最佳系统性能。

在更高级的应用中，定制输出电压可能不足以实现所需的性能。对于这些应用，可以通过在制造过程中测量和调整单个单元的电压来进一步优化输出电压。这允许在特定负载条件下精确设置输出电压。例如，在半负载时将输出电压设置为12V +/- 0.05V，而不是正常的设定点精度12V +/- 0.12V。

在某些情况下，经过修改的电源可以避免由于峰值功率需求过高而使用过大的电源，从而帮助节省空间。许多应用具有很少发生的高峰值负载。某些电源的规格允许输出功率的短时间明显高于额定功率。通常，这些峰值功率事件的周期和占空比有明确的限制，Bel可以根据终端系统的需求进行定制。如果没有此功能，则需要更大的电源，该电源额定在峰值负载下连续运行。

图5.功率提升特性示例

其他修改有助于确保可靠运行。可以调整过流保护等保护功能以满足特定的应用要求，并确保电源在故障期间受到保护，并且对于给定的应用不会过早或过晚跳闸。

如果确实发生故障，并且输入功率丢失，对于许多应用来说，在系统切换到备用电源时，输出保持一定时间的稳压非常重要。这段时间称为保持时间，也可用于备份关键数据。可能需要修改保持时间，以保证在故障期间基于特定系统响应时间的持续运行。

图6.保持时间波形示例

固件/舞会修改

除了在固件中存储设备设置外，这些电源还包含可编程只读存储器 （PROM）。PROM 可用于存储客户和/或应用程序特定信息，以便在操作期间访问。这些和其他修改选项可以快速应用于Bel现有的和经过验证的设计的广泛列表，而无需花费时间或风险进行全新的定制设计。

BEL 支持对标准产品进行广泛的修改

Bel Power Solutions 为不同的应用提供全面的产品组合，例如存储、网络、工业和电信行业，以及服务器的板安装电源到系统级架构。为了满足这些应用要求，Bel Power解决方案提供了修改机械、电气性能和固件/PROM的能力。

审核编辑：郭婷