功率密度和電源效率如何權衡

我們在選擇電源時，經(jīng)常是只看數(shù)據(jù)表上的效率值，而制造商也在竭盡所能地提高這個數(shù)字，包括更謹慎地定義測量條件。設計人員正在提出更復雜的拓撲結構，例如相移全橋 (PSFB) 和LLC轉換器，而在組件級別，用MOSFET取代二極管以降低損耗。即便是硅材料，也面臨著挑戰(zhàn)，因為碳化硅 (SiC) 和氮化鎵 (GaN) 等寬禁帶 (WBG) 材料即使在高開關速度下也能增強性能。

電源數(shù)據(jù)表上的具體效率數(shù)字對最終用戶的意義相對較小。用戶更關心的是系統(tǒng)或流程效率，以及能否滿足（或超過）其環(huán)保要求和財務目標。人們越來越意識到，在系統(tǒng)的整個生命周期內，支持環(huán)保（和控制成本）比數(shù)據(jù)表上的電源效率數(shù)字更重要。由于不動產的購買和維護都需要花錢，因此他們更傾向于在房間內放置盡可能多的創(chuàng)收設備。所以對他們來說，功率密度通常比電源效率更有價值。

本文詳細介紹了功率密度和電源效率，并說明了提高電源效率與購買高性能電源解決方案并最終負責任地處置它們所需的成本。作為對比，還介紹了提高功率密度與系統(tǒng)效率的方法。另外本文還說明了是否應該關注熱管理，而不是整體電源轉換效率。

效率的概念

效率是一個很容易理解的概念：但你確定越接近100%，就越好嗎？ 其實這完全取決于你如何看待效率；在辦公室或數(shù)據(jù)中心，沒做任何有用的工作（從物理意義上來說）— 沒有大型機器被移動 — 所以我們可以認為這些地方的效率為0%，因為所有使用的電力最終都會在計算機、服務器、存儲設備和電源轉換中變成熱。

但是，如果你比較收入效率（即電力的美元價值與美元收入之比），那么效率可能會達到1000%。因此，為了業(yè)務績效和成功，目標應該是通過減少每個輸出裝置的用電量來盡量降低電力成本。

每個數(shù)據(jù)中心經(jīng)理都面臨著增加處理和存儲容量以及創(chuàng)收和擴大利潤的挑戰(zhàn)。為此，他們必須控制電力成本，并確保所做的收購快速回本。隨著服務器的增加，電力成本（以及賺錢能力）的上升，收入與成本之比部分取決于設備的選擇。

在工廠中，再增加一臺強大電機的唯一正當理由是產生更多的可銷售輸出，因此電機驅動器和相關電源只是間接成本，不會增加任何商業(yè)價值。所以，與電機運轉相關的所有運營費用（包括電力）都被視為對利潤的消耗。效率很重要，但僅在使用盡可能少的電力完成必要工作的前提下。

損耗在任何地方都很重要

電子設計會用到很多公式（例如，效率等于功率輸出除以功率輸入，以百分比表示，損耗等于功率輸入減去功率輸出）。但是，這些公式要在功率水平以及操作和環(huán)境條件之類的背景下才有意義。即使有定義好的公式，電源制造商也可以選擇最佳條件，讓效率看起來比現(xiàn)實條件下更高。

通常情況下，效率是在接近滿載時測得的，但很少有系統(tǒng)（特別是在冗余應用中）在任何時段內都以這種狀態(tài)運行，遠離“最佳點”，效率就會低很多。一般來說，效率在趨向零負載時會顯著下降，并且每個電源的情況都有所不同。因此，服務器空閑時消耗的能量可能會相差一個（或多個）數(shù)量級。

圖1中，在5%負載下，藍線表示的轉換器的能耗速度是橙線表示的轉換器的三倍以上。在選擇產品時，輕負載損耗應該是關注的重點，因為它們對總能量消耗有顯著影響。

圖1：不同電源呈現(xiàn)出截然不同的低負載效率。（圖源：貿澤電子）

業(yè)界認識到低負載效率的重要性，已經(jīng)制定了諸如“80 PLUS”倡議（表1）之類的標準，規(guī)定了整個負載范圍內的最低效率。80 PLUS鈦金是最嚴的規(guī)格，要求在50%負載下至少達到94%的效率，在10%負載下至少達到90%的效率（基于115V系統(tǒng)）。對于230V系統(tǒng)，50%負載下效率要求變?yōu)?6%，而10%負載下效率要求仍為90%。

表1：115V系統(tǒng)的80 PLUS要求概覽。（圖源：貿澤）

滿足80 PLUS的要求具有一定的挑戰(zhàn)性，特別是在2004年制定認證計劃后引入的更高級別?；炯墑e要求在50%負載下效率達到80%，而達到鈦金級別（94%的效率），意味著損耗要減少四分之三。

效率提高14%，但1kW電源轉換器需要將損耗從250W降低到64W。顯然，僅靠調整現(xiàn)有的拓撲結構或設計無法實現(xiàn)這一目標，而業(yè)界已經(jīng)采取了創(chuàng)新的方法。例如，二極管已被同步驅動的MOSFET所取代。此外，還引入了PSFB和LLC諧振拓撲來限制開關損耗，新的WBG材料允許在提高開關頻率的同時降低損耗。

由于許多轉換器需要兩級轉換（例如，功率因數(shù)校正 (PFC) 和DC-DC），因此每個部分的效率要求更高。輸入電源橋式整流器已從四個二極管變?yōu)镸OSFET網(wǎng)絡，從而提高了PFC級效率。

由于這些技術比較新，因此可能很昂貴，而且因為沒有經(jīng)過多年的現(xiàn)場驗證，因此在可靠性上存在一定的風險。盡管如此，對更高效率的追求依然存在，正在朝著99%甚至更高的方向發(fā)展。

1%：一點還是很多？

隨著效率越來越高，每一次很小的提升都變得更加困難。效率從97%提高到98%需要將損耗減少三分之一。更艱難的是，從98%提高到99%意味著需要將損耗再減少一半。

這50%的減少幾乎肯定需要基于更復雜的技術和高價組件進行全面重新設計，這會增加大量的設計時間和風險。1kW電源在98%?的效率下功耗為20.4W；將效率提高到99%，損耗需要降至10.1W（圖2）。功耗僅節(jié)省10.3W，隨著時間的推移，最終的BOM成本卻要增加很多。

圖2：1kW電源轉換器的損耗與效率對比。（圖源：貿澤電子）

你可以說所有的能源節(jié)約都是值得的，但如果從更大的視野來看，這不一定完全正確。在美國，該行業(yè)每千瓦時成本約0.165美元。對于1kW電源來說，在五年使用壽命內100%正常運行時間下，功耗減少10.1W可節(jié)省約73美元，但負載功率的成本超過7，300美元。

除了廢棄設備的處置成本外，在獲取、購買和鑒定新電源方面還有很多管理成本。另外相關改變所帶來的風險也有一定的成本。任何分析都很難表明節(jié)省的73美元可以抵消所有這些成本，除非（可能）是在使用數(shù)千個此類電源的裝置中。單純追求效率通常不是可靠的商業(yè)戰(zhàn)略。

我們應該擔心熱量嗎？

企業(yè)對來自電源的熱量需要擔心的程度取決于電力的來源。如果是終端設備和暖通空調系統(tǒng)使用的化石燃料（如煤、氣），那么就會對全球氣候變暖和污染產生影響。根據(jù)分析，即使是“清潔”的核電站也會將熱量排入大氣中，因為它們的熱效率通常約為33%。

提高效率顯然是一件好事，但即使在世界上炎熱的地區(qū)，也會在鍋爐、淋浴器、浴缸、洗衣機、烘干機等設備中產生熱量。設計師努力節(jié)省幾十瓦，而有人在隔壁大樓里運行數(shù)小時功率為幾千瓦的烘干機，這在直覺上好像有點違和。為了解決這種異常情況，熱電聯(lián)產計劃或熱電聯(lián)產 (CHP) 可以收集和引導工業(yè)廢熱在當?shù)厣鐓^(qū)加以利用。

一個早期的例子是托馬斯·愛迪生在1882年建立的第一個珍珠街站發(fā)電廠。IBM在紐約雪城大學建造的數(shù)據(jù)中心也使用了類似的原則，雖然這些原則還不普遍，但可以在工業(yè)中使用。由于運營商傾向于將數(shù)據(jù)中心遷移到可以使用環(huán)境空氣進行冷卻的較冷地區(qū)，因此熱量（如果正確引導）可能非常有用 — 特別是在水力發(fā)電或地熱發(fā)電便宜的地方（例如挪威或冰島）。

熱影響可靠性

降低電源損耗是值得的，因為這會降低內部溫度并改善預計壽命和可靠性。但是，這僅在外殼和冷卻不變的情況下才有意義。從各種公式可以看出，環(huán)境溫度每升高10oC，電子設備的使用壽命就會減半。此外，許多可靠性手冊也會告訴你，在溫度升高的情況下，半導體故障率會增加約25%，電容器故障率增加約50%。

現(xiàn)代技術一般非常可靠耐用。即使有這些數(shù)字，可靠性仍然很高，但我們應該認識和理解熱效應。業(yè)界通常會努力將數(shù)據(jù)中心的入口溫度保持在21°C左右，但英特爾和其他公司的研究表明，溫度增加不會對系統(tǒng)可靠性產生重大影響。APC引用美國供暖和空調工程師協(xié)會 (ASHRAE) 的一份報告預測，如果進氣溫度上升20–32°C (68–90°F)，設備整體故障率會增加1.5倍（圖3）。

圖3：入口溫度如何影響可靠性。（圖源：貿澤電子）

據(jù)說數(shù)據(jù)中心允許的溫度每升高一攝氏度，就會降低約7%的相關冷卻成本，允許設備在（稍微）高一點的溫度下運行，對運營支出來說是一個真正的好處。

較新的WBG材料可以耐受比硅材料更高的結溫，因此這些材料成為了在高溫下運行設備（尤其是高頻電源）的推動因素。

功率密度是關鍵

通?？梢酝ㄟ^降低開關速度來提高效率，但這意味著更大的無源元件和更大的電源轉換器。雖然隨著溫度的降低，這可以提高可靠性，但它是以空間為代價的，這帶來了系統(tǒng)級的挑戰(zhàn)。

運行溫度更高允許系統(tǒng)工程師將更多功能集成到給定的機柜中，無論是在數(shù)據(jù)中心還是在工業(yè)中，標準尺寸的外殼幾乎總是裝有電機驅動器和PLC。

外形尺寸更小的新型高性能電源轉換器不需要額外的機柜，使用現(xiàn)有機柜就可以降低成本（和空間）。由于地皮昂貴，因此通過節(jié)省空間可以實現(xiàn)切實的收益，特別是如果該空間可用于創(chuàng)收設備。

結語

電源選擇不應僅基于效率數(shù)據(jù)。系統(tǒng)或流程效率、環(huán)保要求和財務目標等因素更加重要。雖然制造商努力通過先進的拓撲結構和材料來提高電源效率，但最終用戶優(yōu)先考慮的是功率密度而不是效率，因為這使他們能夠在有限的空間內最大限度地利用創(chuàng)收設備。低負載效率至關重要，80 PLUS倡議等行業(yè)標準解決了這方面的問題。實現(xiàn)更高的效率水平變得越來越具有挑戰(zhàn)性，成本越來越高，回報卻越來越少。對效率的關注應與總體成本、可靠性和環(huán)境影響相平衡，并要考慮采購、處置和熱管理等因素。功率密度至關重要，允許在有限的空間內集成更多功能并降低成本。總之，綜合考慮各種因素的整體方法對于做出明智的電源決策非常必要。

作者簡介

Mark于2014年7月加入了貿澤電子，此前他曾在RS Components擔任高級營銷職務。在加入RS之前，Mark在Texas Instruments擔任了8年的應用支持和技術銷售職位，并獲得了考文垂大學的電子工程一級榮譽學位。