1742
我们在选择电源时，经常是只看数据表上的效率值，而制造商也在竭尽所能地提高这个数字，包括更谨慎地定义测量条件。设计人员正在提出更复杂的拓扑结构，例如相移全桥 (PSFB) 和LLC转换器，而在组件级别，用MOSFET取代二极管以降低损耗。即便是硅材料，也面临着挑战，因为碳化硅 (SiC) 和氮化镓 (GaN) 等宽禁带 (WBG) 材料即使在高开关速度下也能增强性能。
电源数据表上的具体效率数字对最终用户的意义相对较小。用户更关心的是系统或流程效率，以及能否满足（或超过）其环保要求和财务目标。人们越来越意识到，在系统的整个生命周期内，支持环保（和控制成本）比数据表上的电源效率数字更重要。由于不动产的购买和维护都需要花钱，因此他们更倾向于在房间内放置尽可能多的创收设备。所以对他们来说，功率密度通常比电源效率更有价值。
本文详细介绍了功率密度和电源效率，并说明了提高电源效率与购买高性能电源解决方案并最终负责任地处置它们所需的成本。作为对比，还介绍了提高功率密度与系统效率的方法。另外本文还说明了是否应该关注热管理，而不是整体电源转换效率。
效率的概念
效率是一个很容易理解的概念：但你确定越接近100%，就越好吗？ 其实这完全取决于你如何看待效率；在办公室或数据中心，没做任何有用的工作（从物理意义上来说）— 没有大型机器被移动 — 所以我们可以认为这些地方的效率为0%，因为所有使用的电力最终都会在计算机、服务器、存储设备和电源转换中变成热。
但是，如果你比较收入效率（即电力的美元价值与美元收入之比），那么效率可能会达到1000%。因此，为了业务绩效和成功，目标应该是通过减少每个输出装置的用电量来尽量降低电力成本。
每个数据中心经理都面临着增加处理和存储容量以及创收和扩大利润的挑战。为此，他们必须控制电力成本，并确保所做的收购快速回本。随着服务器的增加，电力成本（以及赚钱能力）的上升，收入与成本之比部分取决于设备的选择。
在工厂中，再增加一台强大电机的唯一正当理由是产生更多的可销售输出，因此电机驱动器和相关电源只是间接成本，不会增加任何商业价值。所以，与电机运转相关的所有运营费用（包括电力）都被视为对利润的消耗。效率很重要，但仅在使用尽可能少的电力完成必要工作的前提下。
损耗在任何地方都很重要
电子设计会用到很多公式（例如，效率等于功率输出除以功率输入，以百分比表示，损耗等于功率输入减去功率输出）。但是，这些公式要在功率水平以及操作和环境条件之类的背景下才有意义。即使有定义好的公式，电源制造商也可以选择最佳条件，让效率看起来比现实条件下更高。
通常情况下，效率是在接近满载时测得的，但很少有系统（特别是在冗余应用中）在任何时段内都以这种状态运行，远离“最佳点”，效率就会低很多。一般来说，效率在趋向零负载时会显著下降，并且每个电源的情况都有所不同。因此，服务器空闲时消耗的能量可能会相差一个（或多个）数量级。
图1中，在5%负载下，蓝线表示的转换器的能耗速度是橙线表示的转换器的三倍以上。在选择产品时，轻负载损耗应该是关注的重点，因为它们对总能量消耗有显著影响。
图1：不同电源呈现出截然不同的低负载效率。（图源：贸泽电子）
业界认识到低负载效率的重要性，已经制定了诸如“80 PLUS”倡议（表1）之类的标准，规定了整个负载范围内的最低效率。80 PLUS钛金是最严的规格，要求在50%负载下至少达到94%的效率，在10%负载下至少达到90%的效率（基于115V系统）。对于230V系统，50%负载下效率要求变为96%，而10%负载下效率要求仍为90%。
表1：115V系统的80 PLUS要求概览。（图源：贸泽）
满足80 PLUS的要求具有一定的挑战性，特别是在2004年制定认证计划后引入的更高级别。基本级别要求在50%负载下效率达到80%，而达到钛金级别（94%的效率），意味着损耗要减少四分之三。
效率提高14%，但1kW电源转换器需要将损耗从250W降低到64W。显然，仅靠调整现有的拓扑结构或设计无法实现这一目标，而业界已经采取了创新的方法。例如，二极管已被同步驱动的MOSFET所取代。此外，还引入了PSFB和LLC谐振拓扑来限制开关损耗，新的WBG材料允许在提高开关频率的同时降低损耗。
由于许多转换器需要两级转换（例如，功率因数校正 (PFC) 和DC-DC），因此每个部分的效率要求更高。输入电源桥式整流器已从四个二极管变为MOSFET网络，从而提高了PFC级效率。
由于这些技术比较新，因此可能很昂贵，而且因为没有经过多年的现场验证，因此在可靠性上存在一定的风险。尽管如此，对更高效率的追求依然存在，正在朝着99%甚至更高的方向发展。
1%：一点还是很多？
随着效率越来越高，每一次很小的提升都变得更加困难。效率从97%提高到98%需要将损耗减少三分之一。更艰难的是，从98%提高到99%意味着需要将损耗再减少一半。
这50%的减少几乎肯定需要基于更复杂的技术和高价组件进行全面重新设计，这会增加大量的设计时间和风险。1kW电源在98% 的效率下功耗为20.4W；将效率提高到99%，损耗需要降至10.1W（图2）。功耗仅节省10.3W，随着时间的推移，最终的BOM成本却要增加很多。
图2：1kW电源转换器的损耗与效率对比。（图源：贸泽电子）
你可以说所有的能源节约都是值得的，但如果从更大的视野来看，这不一定完全正确。在美国，该行业每千瓦时成本约0.165美元。对于1kW电源来说，在五年使用寿命内100%正常运行时间下，功耗减少10.1W可节省约73美元，但负载功率的成本超过7，300美元。
除了废弃设备的处置成本外，在获取、购买和鉴定新电源方面还有很多管理成本。另外相关改变所带来的风险也有一定的成本。任何分析都很难表明节省的73美元可以抵消所有这些成本，除非（可能）是在使用数千个此类电源的装置中。单纯追求效率通常不是可靠的商业战略。
我们应该担心热量吗？
企业对来自电源的热量需要担心的程度取决于电力的来源。如果是终端设备和暖通空调系统使用的化石燃料（如煤、气），那么就会对全球气候变暖和污染产生影响。根据分析，即使是“清洁”的核电站也会将热量排入大气中，因为它们的热效率通常约为33%。
提高效率显然是一件好事，但即使在世界上炎热的地区，也会在锅炉、淋浴器、浴缸、洗衣机、烘干机等设备中产生热量。设计师努力节省几十瓦，而有人在隔壁大楼里运行数小时功率为几千瓦的烘干机，这在直觉上好像有点违和。为了解决这种异常情况，热电联产计划或热电联产 (CHP) 可以收集和引导工业废热在当地社区加以利用。
一个早期的例子是托马斯·爱迪生在1882年建立的第一个珍珠街站发电厂。IBM在纽约雪城大学建造的数据中心也使用了类似的原则，虽然这些原则还不普遍，但可以在工业中使用。由于运营商倾向于将数据中心迁移到可以使用环境空气进行冷却的较冷地区，因此热量（如果正确引导）可能非常有用 — 特别是在水力发电或地热发电便宜的地方（例如挪威或冰岛）。
热影响可靠性
降低电源损耗是值得的，因为这会降低内部温度并改善预计寿命和可靠性。但是，这仅在外壳和冷却不变的情况下才有意义。从各种公式可以看出，环境温度每升高10ºC，电子设备的使用寿命就会减半。此外，许多可靠性手册也会告诉你，在温度升高的情况下，半导体故障率会增加约25%，电容器故障率增加约50%。
现代技术一般非常可靠耐用。即使有这些数字，可靠性仍然很高，但我们应该认识和理解热效应。业界通常会努力将数据中心的入口温度保持在21°C左右，但英特尔和其他公司的研究表明，温度增加不会对系统可靠性产生重大影响。APC引用美国供暖和空调工程师协会 (ASHRAE) 的一份报告预测，如果进气温度上升20–32°C (68–90°F)，设备整体故障率会增加1.5倍（图3）。
图3：入口温度如何影响可靠性。（图源：贸泽电子）
据说数据中心允许的温度每升高一摄氏度，就会降低约7%的相关冷却成本，允许设备在（稍微）高一点的温度下运行，对运营支出来说是一个真正的好处。
较新的WBG材料可以耐受比硅材料更高的结温，因此这些材料成为了在高温下运行设备（尤其是高频电源）的推动因素。
功率密度是关键
通常可以通过降低开关速度来提高效率，但这意味着更大的无源元件和更大的电源转换器。虽然随着温度的降低，这可以提高可靠性，但它是以空间为代价的，这带来了系统级的挑战。
运行温度更高允许系统工程师将更多功能集成到给定的机柜中，无论是在数据中心还是在工业中，标准尺寸的外壳几乎总是装有电机驱动器和PLC。
外形尺寸更小的新型高性能电源转换器不需要额外的机柜，使用现有机柜就可以降低成本（和空间）。由于地皮昂贵，因此通过节省空间可以实现切实的收益，特别是如果该空间可用于创收设备。
结语
电源选择不应仅基于效率数据。系统或流程效率、环保要求和财务目标等因素更加重要。虽然制造商努力通过先进的拓扑结构和材料来提高电源效率，但最终用户优先考虑的是功率密度而不是效率，因为这使他们能够在有限的空间内最大限度地利用创收设备。低负载效率至关重要，80 PLUS倡议等行业标准解决了这方面的问题。实现更高的效率水平变得越来越具有挑战性，成本越来越高，回报却越来越少。对效率的关注应与总体成本、可靠性和环境影响相平衡，并要考虑采购、处置和热管理等因素。功率密度至关重要，允许在有限的空间内集成更多功能并降低成本。总之，综合考虑各种因素的整体方法对于做出明智的电源决策非常必要。
作者简介
Mark于2014年7月加入了贸泽电子，此前他曾在RS Components担任高级营销职务。在加入RS之前，Mark在Texas Instruments担任了8年的应用支持和技术销售职位，并获得了考文垂大学的电子工程一级荣誉学位。
下载ECAD模型
