德州儀器作者: Ritesh Oza
隨著對數據的需求增加，對伺服器和數據中心的需求也在增加，因此對電力的需求也隨之增加。產業趨勢顯示，2020 年每個機架的功率為 4 kW，到 2025 年將高達 20 kW。
有鑑於可用於數據中心和伺服器的實體空間有限，在更小的空間內提供更多的電力被稱為伺服器電源架構中的高功率密度要求。提高伺服器電源的效率也可以降低冷卻成本。
我們周圍的一切都變得需要數據和數據導向。所有這些數據都由數據中心的伺服器儲存和處理，如圖 1 所示。
圖 1：數據連接的生態系統
伺服器通常具備可擴充性和熱插拔功能，藉以滿足不同的處理要求並維持高系統可用性。為了實現無縫熱插拔功能，伺服器主機板和配電板採用熱插拔控制器或 eFuse。伺服器電源中的 eFuse 等元件需要提供更高的電流，才能滿足不斷成長的伺服器電源要求。熱插拔和 eFuse 等保護裝置也需要處理高峰值電流，才能配合伺服器中的現代微處理器更高的峰值處理能力。圖 2 顯示典型的伺服器電源架構。
圖 2：典型的伺服器電源架構
長久以來，大功率伺服器設計包括具有多個金屬氧化物半導體場效應電晶體 (MOSFET) 的熱插拔控制器。不過伺服器功率和功率密度要求呈現等比級數成長。為了滿足這些需求並簡化這些設計，請考慮在伺服器電源架構中使用 TPS25985 (80 A 峰值) 和 TPS25990 (60 A 峰值，使用 PMBus 介面) eFuse。TPS25985 和 TPS25990 可分別支援 60 個 ADC 和 50 個 ADC，並分別有高達 60 A 和 50 A 的可調整電流限制。可以堆疊多個無限制的 TPS25985 和 TPS25990 eFuse 以提高電流。
達到高功率密度
功率密度是現代伺服器電源單元 (PSU) 的必備要求。最新一代伺服器 PSU 的額定功率範圍為 3 kW (12 V 時為 250 A)。選擇 eFuse 時，必須注意能夠以最小的尺寸提供最高的電流。TPS25985 採用 4.5 公釐 × 5 公釐封裝，可提供 80A 峰值電流。圖 3 顯示一些 TI 的 eFuse。
圖 3：TI eFuse 的功率密度進展
藉由整合 MOSFET、電流分流監控器、比較器、主動電流共用和溫度監控器，TPS25985 和 TPS25990 eFuse 顯著減小印刷電路板或印刷線路板的總面積。連接多個 TPS25985 和 TPS25990 eFuse 時，電路板節省的空間和達到的功率密度會提高數倍。圖 4 顯示 TPS25985 和 TPS25990 相較於市場上其它 eFuse 的電流密度。
圖 4：電流和功率密度比較
電流共用和電流監控準確度
熱插拔控制器無法相當準確控制多個並聯 MOSFET 的閘極；因此，並聯 MOSFET 的電流共用並不準確。精密放大器有助於實現高電流共用準確度和電流監控器準確度，不過加入精密放大器會增加整個解決方案的尺寸。測量 MOSFET 的晶粒溫度相當有挑戰性，因此無法保證在瞬態和穩態條件下提供散熱保護。圖 5 突顯 TPS25985 的重要針腳和功能。
圖 5：TPS25985 針腳排列，突顯重要差異化功能
TPS25985 和 TPS25990 eFuse 整合主動電流共用和直接存取 MOSFET 晶粒參數 (電壓、電流、溫度) 的功能，因此能夠準確控制所有並聯連接的 eFuse 閘極並準確監控整合 FET 的晶粒溫度。相較於沒有主動電流共用的 eFuse，TPS25985 和 TPS25990 可供設計工程師優化 eFuse 的數量和系統的性能。
整合式電流分流監控器使用 PSYS/PROCHOT 增強伺服器平台電源管理，因此盡可能提高平台的運算處理量和電源利用率。這些功能也有助於優化前端 AC-DC 電源，因此優化系統成本。此外，可調整的瞬態電流消隱定時器透過避免誤報來提高系統可靠性和整體可用性。
遠端監控和控制
TPS25990 對系統增加 PMBus 介面功能。TPS25990 支援具有可調整開啟延遲的單命令電源循環，可供系統設計工程師從遠端排序和重設系統。TPS25990 也提供黑盒功能，其中七個事件記錄有相對時間戳記。TPS25990 包含高速類比轉數位轉換器，使用者能夠用來繪製本身選擇的訊號，模擬數位示波器。TPS25990 的 GUI 和其它功能不僅有助於設計工程師縮短總開發時間，也能夠快速識別和解決通常很難重現和排除的現場問題。
散熱考量
伺服器電源系統在相當大的環境溫度範圍 (–40ºC 至 85ºC) 下運作。熱插拔控制器或 eFuse 會經歷較高的環境溫度。因此，小封裝出現大電流時，電源設計工程師會開始關注這些裝置的散熱性能。TPS25985 和 TPS25990 eFuse 能夠在 125ºC 的結溫下運作，因此沒有這方面的顧慮。TPS25985 和 TPS25990 分別提供 0.59 mΩ 和 0.79 mΩ 的 RDS(on)；製程、電壓和溫度變化的 RDS(on)擴張相當有限。因此，這些 eFuse 的自我加熱相當低，工作溫度範圍很廣，而不會犧牲降額。圖 6 顯示 TPS25985 的機殼溫度。
圖 6：VIN = 12 V、IOUT = 50 A、Tamb = 25°C 時的 TPS25985 機殼溫度
結論
設計工程師能夠在伺服器電源架構中使用 TPS25985 和 TPS25990 eFuse，藉此縮減開發時間和設計成本。eFuse 的低 RDS(on) 能夠降低系統的功率損耗，有助於數據中心達成效率目標。更高的功率密度能夠提高數據中心的處理能力，並為最終使用者提供跨越數據連線裝置的流暢體驗。eFuse 具有更好的診斷、擴充和配置功能有助於數據中心盡可能縮短停機時間，因此有助於維持服務的連續性，並確保能夠為客戶提供高百分比正常運作時間。
