PMBus开放式标准做后盾 软件定义电源发展后势看俏 - 全文

作者：Mark Adams CUI高级副总裁 新通讯 2016 年 3 月号 181 期《 封面故事 》

随着物联网发展增温，数据传输、处理和储存的需求亦成等比级数上升，进一步加剧电源基础设施的负担。软件定义电源架构能协助降低大型设备成本及优化营运效率，因此，全面采用软件定义架构已成必然趋势。

现今的生活方式和工作模式对数据储存、存取、处理和分享的依赖程度越来越高。人们可藉由智能型数字设备随意创造出各种内容，并且透过因特网立即发布。当然，现代企业是在线数据的庞大用户，而政府机构则负责维护公共服务的安全性及其提供方法的质量。

根据思科(Cisco)的资料，到2018年，数据中心(Data Center)的流量将会超过8.6皆字节(Zettabytes)，而且，行动数据流量的增长速度甚至会超过固定的IP流量，而迈向5G技术的发展还将会进一步加快此一趋势的发展。

随着物联网(Internet of Things)演变为万物联网(Internet of Everything)，而且包括行动在内的更多生活领域将越来越多采用电子方式来管理，因此对于数据的依赖程度一定会越来越高。自动驾驶汽车将带来一种对数据收集、分析、分享和储存前所未有的需求，特别是众多车辆和高速公路传感器会从不同的角度监视相同的事件(图1)。

图1 万物联网正渗透到几乎每一种应用，预计将会造成一个拥有数万亿个传感器的未来世界，所有这些传感器都会不断持续地收集、分享和分析数据。

可以想象一个包含了数万亿个传感器的未来世界，而且这些传感器都将一直持续不断地收集和传递数据。而且，一些急性子的消费者和实时服务(例如智慧驾驶)将要求实时响应，这将进一步加剧基础设施所承受的压力。

对数据输送、处理和储存的需求正呈现永无止境的增长态势，许多企业正努力地要跟上，同时还要竭力地控制营运成本。让事情变得更糟的是，日常生活中各领域对数据服务的依赖程度越来越高，这意味着任何服务中断的后果都将变得十分严重。网络和数据中心已经成为整个世界现代化生活的基础，当然必须保持最高可靠性和最长的正常工作时间。

值得一提的是，这些预测所提到的海量传感器并非全部都是用来进一步增强现已十分舒适的生活方式。万亿传感器峰会(TSensors Summit)等业界活动展示了数以万亿的联网传感器将如何用来协助世界上最贫困的地区解决食物、能源、水、卫生健康和教育资源短缺等问题。

未来能源需求势必日益殷切
对于现今的数据服务供货商来说，最大的营运成本就是为计算机持续提供能源使其保持正常运行。数据中心营运商知道，在3年的典型服务器寿命周期内，为一台服务器供电所需的费用比购买整套硬件的费用还要高。

另外，为了保持所建议的工作温度而使用空调等措施的费用，也在营运成本中占有很大比重。营运商渴望降低这些成本费用，甚至有意在寒冷气候地区建立营运据点，比如有斯堪地那维亚半岛(Scandinavia)和美国北部，这些地点的附近还有低成本且可靠的能源，像是水力发电机等。
现代化生活中随时联机的特性，意味着对于数据基础设施的需求是极其动态的。例如，社交媒体能够对实时发生的世界事件做出实时响应，例如自然灾害或政治危机，甚至重大的体育赛事，这将会导致突发猛增的流量。基础设施需要在所有条件下以最佳效率来运行，并且处理好从最小到最活跃活动性的快速转换，而不影响服务的可用性。迈向未来，自我调整电源管理将是满足这个世界性的数据需求所不可或缺的要素。

提高电源管理效率 转向软件定义已成必然
数据中心架构师已经成功地使用虚拟化技术来提高服务器的使用率，并且同时协助降低大型设备的成本以及为闲置服务器供电的支出。透过虚拟化技术，运算架构就变成软件可定义的，与此同时，电源设计也有所进展。

许多数据中心和网络基础设施营运商正在从相对缺少灵活性的模拟技术转向数字电源，因为数字电源具有更强的适应性，可确保最佳的效率。然而，也有人会以看待早期模拟产品差不多的眼光来看待数字转换器，这样态度将导致数字转换器无法完全发挥潜能的风险，无法有效地提升效率和降低营运成本。对电源架构来说，下一个合理的步骤是变成为软件定义的架构，以充分利用数字电源的适应性，并且引入软件控制方法，根据营运情况的变化持续地对电源进行管理。

对于电源设计和开发人员，以及数据中心营运商来说，软件定义的电源架构具有许多潜在的好处，在软件级改变设计的能力，可望消除硬件设计的风险，并且在未来加快完成项目的速度。幸运地，从模拟电源架构向软件定义电源的转变可以很快且容易地实施，无须开发新的技术或设计硅智财(IP)。

在实际使用中，软件定义的电源架构将能够克服数据中心设计人员和营运商现今所面临的诸多挑战。考虑到半导体制程的变化引致各个电路板之间存在微小差异，数字电源架构已经允许透过精细调节中间总线和负载点输出电压，以优化营运效率，且还可补偿温度变化的影响。

透过软件处理这类调整，可以为数据中心带来有价值的总体能源效率提升。然而，这仅仅是所实现改进中的一小部分。

软件定义的电源架构还可以带来更进一步的效率提升，并且以降低在低需求期间对电源的压力，以及实施预测性维护，来协助改善其他性能参数，例如可靠性和正常工作时间。此外，软件定义的电源架构可以透过启动或禁用电源来快速满足需求，并且藉由调节系统电压来获得最佳的效率。

现今的处理器根据所施加的处理负载，以自适应电压调节(Adaptive Voltage Scaling, AVS)技术来自动调节电源需求。在轻负载情况下，可以将电源电压和运作频率减少到执行任务所需的最小值。

最新1.3版本PMBus标准已经加入了对自适应电压调节总线(Adaptive Voltage Scaling Bus, AVSBus)的支持，PMBus标准是一种针对电源设备之间通讯用的开放式标准协议。除了先前可用的PMBus指令外，对AVSBus的支持也可以让处理器自动调节合适的负载点(POL)输出电压。
自动调节电源架构以确保在不断变化的情况下达到最佳运作效率，不仅可以在电源中最大限度地减小能源转换损耗，还可以最大限度地降低对主动式冷却系统的需求，结果可减少如托盘风扇(Tray Fan)和服务器房间空调系统冷却系统所消耗的能源。

除了节省能源外，降低对冷却的需求之后，还可以腾出更多空间来安装服务器、交换机或线路卡。

同时，软件定义的电源架构还可因可靠性的提高而受益。连续调节系统电压以保持最佳的效率，并且最大限度地减少热的产生，这些都可减少施加在中间总线转换器(IBC)和POL转换器上的应力，最终，软件定义的电源架构还能最大限度地减少由于电源故障所引起的停机时间。

开放式标准PMBus成厂商最爱
在连接性的催化之下，电源转换器从一个个的孤岛改变成为协作系统中的一个个单元，这种协作系统可对中央控制器的指令产生反应；而此一中央控制器则是位于软件定义的电源架构之核心。开放式标准PMBus是理想的媒介，PMBus兼容的前端交流对直流(AC-DC)电源、数字POL和IBC产品早已推出市场，对刚开始要为客户建立软件定义电源架构的电源供货商而言，它们将发挥关键性的推动作用(图2)。

图2 在软件定义电源架构中，开放式标准PMBus是一种连接转换器的理想媒介。

在加值型的供电应用领域中，软件定义电源正快速地获得采用，在这些系统中，数字电源的特性同时为设计公司和最终用户带来经济上的优势。
不过，设计团队需要时间来建立模型和开发算法，才能够充分利用软件定义供电技术所提供的强大能力。某些团队可能会先在电路板级实施软件控制，之后再将机架和大功率转换级部分带入软件定义的架构中。另一方面，某些团队可能从大功率级开始设计，然后将软件控制向前扩展至机架和电路板级。

此外，早期的控制算法可能比较简单，只须根据少数几个参数来预测，但随着时间的演变，由于要对更大的数据集进行更详细的分析，所以算法也会变得越来越复杂。

随着对这些技术的熟悉程度增加，以及那些已经验证、可在后续项目中快速且高效地再次使用之设计的数目也不断地在增加，未来的设计人员将能够很快地交付新的项目，并且将精力集中在开发额外的加值功能，其中可能包括预测性维护，这将有助于提升主要的性能标准，例如正常运作时间，同时透过降低设备更换率来减少大型设备的成本支出。

CUI已经在3kW PSE-3000等前端交流对直流电源中实施PMBus连接性，以及在Novum系列数字IBC和非隔离型直流对直流(DC-DC)数字POL转换器中实现了PMBus连接性。以业界标准协议与电压转换器进行通讯的能力，可以让设计人员建构联网的数字控制电源架构。

IBC备有多种标准模块尺寸，并且支持动态总线电压(Dynamic Bus Voltage, DBV)，动态总线电压可以随着负载情况的改变来调节IBC电压，从而优化转换效率。

电压的设置可以经由PMBus设置或透过安装在IBC而且建基于安谋国际(ARM)的整合式微控制器上的电源优化韧体(Power-optimizing Firmware)来完成。就像在负载点的AVS一样，在IBC级的DBV在最大化效率方面极有成效，因它可利用调节功率包络(Power Envelope)来适应负载条件，进而最大限度地减少所浪费的能源。

除了设置IBC电压外，PMBus接口还可进行电压余量、故障管理、精密延时爬升和启动/停止等的中央控制。Novum POL转换器可以让PMBus指令控制与IBC模块相似的功能，并且可以实现软件控制的电压排序和跟踪。

为了要说明自动适应电源架构可能实现的节能效果，这里假设把一个平均效率达到95%的前端交流(AC)/直流(DC)电源，运作效率为93%的IBC，以及一个运作效率为88%的负载点组成起来。在所有三个转换器上，22.2%的输入功率会以热量形式散发。

如果每级效率只增加1%，能源耗散可以削减至19.6%，这相当于12%的提升，可说是非常显著的效率增长，另外，减少冷却负载还可节省更多的能源。

厂商携手合作　完备PMBus标准
随着软件定义的电源架构在数据中心和电讯管理局变得普及，业界必须依赖来自不同供货商的电源模块之间的互操作性。虽然PMBus在一定程度上实现了模块间连接的标准化，但是某些指令的解释是开放的，当与不同制造商的转换器共享时，就有可能产生不同的结果。

为克服这个问题，由CUI、爱立信电源(Ericsson Power Modules)和村田(Murata)所组成的AMP Group(现代电源架构)携手合作，除将外形尺寸和引脚配置等机械细节标准化外，也在包括PMBus指令响应等的软件方面进行标准化(图3)。