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伺服器DC/DC設計擁抱數位化

作者: 姚嘉洋    

伺服器市場近年來的快速成長,成了台灣諸多ODM與OEM大廠們的營收甚至是獲利的重要命脈,但對於服務供應商來說,除了伺服器整體系統能否滿足服務供應商的市場需求外,對於電力的消耗上,也十分在意,尤其是如臉書、亞馬遜與Google這類的業者,尤其如此。

對於伺服器在DC/DC端的設計發展,英飛凌電源管理及多元電子事業處行銷經理謝東哲談到,有鑑於市場上絕大部份都是英特爾的x86架構處理器為主,那麼跟著該公司的標準甚至是要通過,就是電源晶片供應商必須要做的事,就目前英特爾現行的VR13標準,英飛凌是第一家打進英特爾參考設計的業者,當然,其他的競爭對手也會陸續跟進,畢竟對客戶而言,還是會有測試的動作要做。

電源管理要求多元 數位控制蔚為主流

謝東哲進一步談到,伺服器的DC/DC電源系統的發展,這幾年的大方向大致上仍然沒有太大的變化,像是整合度、效率與功率密度的提升,英特爾在功率等級上也有增加的趨勢。因此,只要英特爾針對電源管理上有些細微的調整,就會牽動數位電源控制器的發展。

英飛凌電源管理及多元電子事業處經理劉宜遠就補充指出,基本上,自2010年開始,英特爾的VR12在伺服器的DC/DC電源設計就開始走向數位控制路線,為了要有所因應,市場上的電源晶片供應商便採用半數位或是全數位的作法。而英飛凌與IR(於2014為英飛凌所併購)的作法,則是採取全數位的方式來因應,相較於半數位的作法,全數位較有辦法符合英特爾的整體規範與要求。劉宜遠透露,就英飛凌的角度來看英特爾,其實英特爾的電源設計規範相當的理想化,所以傳統的類比電源(亦可稱線性電源)設計已經無法滿足英特爾的諸多要求。舉例來說,英特爾想要讓當下的系統採取何種的狀態,就直接給予訊號給系統,一般的類比電源根本無法作到,也因此,改採數位電源設計才能有效因應。

再來,綠色電源的概念也已經談了好幾年,其實英特爾的規格裡,包 含了電源管理,透過處理器的SVID(Serial VID)來進行系統整體的電源管理與節能。除此之外,就電源晶片供應商的角度也會思考,如何在電源控制器與驅動器上進行節能。


◎由於英特爾對於電源管理上有許多規範與要求,


◎也使得數位控制的作法應運而生。


◎其中之一的好處,便是能在輕載狀態下發揮效益。

英飛凌資深經理林家鴻也透露,數位電源本身的好處在於,控制晶片可以進行自動相位控制(Auto Phase shedding),它本身要靠電流變化來完成,這會牽涉到補償(亦可稱為回授控制)問題,主要的概念是要判斷終端電力的狀況,是否有到位,之後再回傳遞訊號給電力供給端了解接收端的狀態。所以,自動相位控制有兩個相當重要的步驟:1.自動偵測判斷負載 2.自動補償控制

這樣才能達到效率優化的目標。


圖1 : 圖左為英飛凌資深經理林家鴻,圖右為英飛凌電源管理及多元電子事業處經理劉宜遠。
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DC/DC吹起輕載效率風

談到輕載的效率表現,過去一般皆認為,僅有AC/DC端才會有這樣的要求,但這股風潮也吹向了DC/DC端。

劉宜遠表示,正因為伺服器對於功耗上相當的要求,除了在AC/DC上能有著墨外,在DC/DC端也能下不少工夫。其中一個作法就是採取PFM(Pulse-Frequency Modulation;脈衝頻率調變 )。他舉例說明指出,在輕載的時候,若電流負載是在1A或是2A時,同時開關頻率太高的情況下,所造成的開關損耗會相當的高,

所以在作法上,可以採用PFM,打一個脈衝訊給系統,就可以降低操作頻率。

另外一種,則是延用MCU(微控制器)的深度睡眠機制。這種機制在MCU的世界十分常見,為了盡可能降低整體系統功耗,會將內部不必要的週邊元件關閉,遇到系統有需求,再喚醒整顆MCU工作。同樣的道理,一顆具備六相的電源控制器,如果當下僅使用到兩個相位,那就可以把不必要的功能加以關閉。所以,假設該控制器在六個相位的狀態下,會消耗28mA,一個相位僅有9mA,若可以不必要的功能關閉,就有機會將電流消耗壓到更低,不會因為過去即便是在待命狀態下,該控制器仍然消耗了28mA,浪費了多餘的電力。

完整方案有優勢 然精進空間有限

大體上,伺服器DC/DC的電源設計,已經簡化成數位電源控制器與Power Stage兩大區塊,後者指的是閘極驅動器與MOSFET(High side + Low side)的整合單晶片,以英飛凌現有的產品線,是屬於兩者皆有的情況。當然如德州儀器(TI)與快捷半導體等,也擁有伺服器DC/DC的電源方案,但也並非每家公司如英飛凌一樣的完整。

快捷半導體資深應用工程經理顏士明談到,以快捷半導體本身的狀況來說,並沒有如德州儀器或是英飛凌一樣,同時擁有數位電源控制器與Power Stage方案,而是只有Power Stage。對於客戶群來說,若能一次滿足客戶需求,的確為首要選擇,某種程度上,這對於快捷半導體較為不利,但也因此,快捷也找了其他擁有數位電源控制器的一線半導體業者合作,以交叉授權的方式,雙方都可以出售彼此的解決方案,以進一步滿足客戶需求。在Power Stage上,則是會與其他的競爭對手的同款產品,以接腳相容的方式,來盡可能取得客戶青睞。

顏士明不諱言,過去在伺服器市場曾經發生過電源晶片供應商臨時無法供貨的緊急狀況出現,這也意味著,同款零組件的第二來源(Second Source)有著相當高的重要性,這也讓快捷仍然能在伺服器DC/DC電源市場有一席之地。

他更指出,就目前各大主要供應商的Power Stage的大小而言,目前皆為5x6 mm,轉換效率方面也可以作到95%以上,所以能夠再精進的地方還是相對有限,唯一還能再有突破的地方,可能也僅剩封裝技術而已。


圖2 : 快捷半導體資深應用工程經理顏士明
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而針對控制器方案仍然還是有所不足的情況下,顏士明也指出,快捷半導體總部目前仍未放棄,持續開發新一代產品或是採取併購方式,來強化產品線,皆是可能的選項。

結論

總結來看,伺服器DC/DC電源設計的發展走向,仍然與過去並無太大的變化,但可以確定的是,為了追求更為節能的願景,即便是在輕載的狀況下,電源晶片供應商仍不斷追求效率極大化與電力消耗最小化。與此同時,為了一次滿足電源設計需求,能夠同時供應數位電源控制器與Power Stage的業者,雖居於相對優勢,但為了能確保零組件供應無虞,第二來源的確保,也是伺服器業者重視的課題。因此,未來伺服器DC/DC電源市場的競爭狀況,會如何發展,也許還有待觀察。


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