利用先进的电源管理技术满足5G通信和数据中心应用需求

来源:亚德诺半导体发布时间:2022-11-25603浏览

在莫哈韦沙漠边缘的一根25米桅杆上，一台5G无线电收发机暴露在灼热的环境中。无线电组件越小、越轻，无线电电子系统的效率越高，产生的热量就越少，系统就越容易保持冷却和正常运行。在一个占地1000多英亩的数据中心，服务器群正在执行数百万次的搜索和高需求工作负载，以满足全世界日益增长的巨大信息需求。这项技术需要快速转换的大电流，具有非常高的功率组件密度，从而尽可能提高效率，快速传输内容。

纵观日益先进的通信世界，当今电力电子产品中颇具挑战性的应用面临尺寸、重量和功率(SWaP)等技术障碍。几乎所有的应用似乎都在变得更小、更轻，同时需要更高的功率，优化SWaP的需求正在以多种新的方式推动电力电子行业的发展。电源管理技术在当今的数据中心和通信行业的创新中发挥着重要作用。
以可持续性和降低成本为目标，技术领先意味着实现更高的系统效率。随着通信系统中采用更先进的工艺技术，工作电压降低、电流显著增加，这对系统效率提出了挑战。这些新一代系统需要考虑纯硅开发以外的方法。这正是ADI公司可以带来进步的地方。

提升无线SWaP和效率

在无线方面，重点是充分提高功率密度和尽可能构建小型解决方案，从而减小5G应用的整体尺寸，或者使之具有灵活性，以便加入额外的功能。在更小的空间中运行，意味着运行会更加经济高效。
无线通信技术可能带来的选择和进步是无止境的。ADI公司深厚的领域知识横跨多个行业和技术，为满足这些系统不断增长的需求提供了自己的观点和解决方案。这些意见观点包括影响尺寸、重量和功率的系统封装的替代方式，从而得到更小的占位面积、更少的元件数量和更小的电路板面积影响。缩小电路板尺寸有助于释放空间，从而融入新技术或更多的功能，如人工智能(AI)和语音识别。

消除噪音

电子技术产品需要各种电压和电流才能工作，高效的功率转换是系统运行良好的关键，这意味着需要高频开关功率转换。高频开关的一个缺点是在射频范围内会产生电磁噪声干扰(EMI)，这种EMI干扰可能会干扰高度敏感设备的功能，比如嵌入5G网络中的射频收发器。ADI公司的Silent Switcher®系列功率转换器可在高频下工作，同时尽可能提高效率，产生的电磁干扰为行业内较低水平。这使得手机网络设备的通信链路更加稳固。

5G无线电设备负责在全球范围内提供手机和互联网服务，让同事、朋友和家人保持联系。未来全球互联的前景无疑将对全球人口的生活、学习、工作和娱乐方式产生巨大影响。为了实现这个目标，第五代无线技术需要在电力电子技术方面实现重大进步。而且，可靠性至关关键，因为产品的寿命取决于它。

许多5G应用程序是任务关键型的，并且始终处于运行状态。医护人员和应急响应人员依靠科技进行关键的通信和事件警报管理。

数据中心：云计算的支柱

企业和消费者的按需数据和存储需求正在成倍增加。为了满足这些需求，数据中心将需要大幅增加电力供应。这意味着高效的电力转换是管理我们目前紧张的电网系统电力需求的一个关键因素。电力管理技术的改进是必要的，因为一些数据中心的耗电量抵得上一个8万人口的小城市。
ADI电源技术开发和市场拓展总监Gary Sapia说：“ADI公司通过提供高密度、快速响应的解决方案，为处理所有这些数据所需的先进ASIC、CPU和GPU提供支持，从而带来增值。”为特定用途定制的专用集成电路耗电最大，在相同功率下，ADI公司的解决方案有助于降低功率转换损耗和降低热耗。

Google搜索中有什么？

当你搜索一张图片时，比如说“所有鼻子扁平的狗”，搜索引擎就会启动，对信息进行处理，并从大约20亿个选择中快速找到你要搜索的内容。这项工作需要一个特殊的重型处理引擎，搜索使用人工智能(AI)的庞大数据库。所有这些操作都需要一个机器网络快速启动来执行任务，从而导致功率迅速飙升。

功率飙升就意味着电流也要飙升。这就像踩下汽车加速器的踏板：燃油喷射器打开并将气体喷射到发动机中，带你冲过终点线。点击搜索时，实际上就是在推动加速器，为多个服务器提供动力。这些机器需要大量的电流来执行你的请求——而且是现在就需要！
要在很短的时间内管理电流猛增的需求，需要以高效率和非常高的带宽运行的特殊系统。ADI公司的单片集成和专有耦合电感技术可以满足这些严格的要求，同时提供出色的效率并降低功耗。

尺寸、重量和功耗

无论你站在什么角度，从哪个方面看，对于数据中心和所有通信行业来说，减小尺寸、减轻重量和降低功耗的需求始终是不变的。
ADI的电路和连接产品系统包括用于管理系统信息控制、数据收集和转换、高精度数据传感器、射频无线电解决方案和高效功率转换的集成电路。所有这些都被封装为分立式参考设计和高度集成的特定应用模块系统解决方案，称为µModule®。
数据中心、社交媒体公司、联网设备制造商、云服务提供商和搜索引擎巨头努力实现具有挑战性的可持续发展目标。美国五大科技公司（俗称FAANG）运营着超大规模的数据中心，它们是一些非常高效的信息工厂，每一个工厂的服务器数量都高达250万台。近十年来，他们一直在精简计算流程，改用可再生能源，并研究更好的方法来冷却其设施。这些数据巨头还自行承担了一项特殊的责任，那就是尽量减少对地球资源的使用。

尽量减少电力成本

随着5G和高数据速率系统需求的出现，数据中心的处理能力正在飞速增长。通常电力可以占到一个普通数据中心成本的一半以上，其中30%至40%用于建设冷却系统。当电力和冷却系统的费用仍然是运营费用的一个重要部分时，无论从财务还是业务运营角度来看，都需要降低电力消耗。
低效的电力系统会产生更多的热量。因此，更高效的电力系统将需要更少的能源来运行，更少的空间用于冷却系统，更少的资金用于风扇、散热器和其他形式的热管理。降低数据中心的电力消耗有助于通信企业更有效、更加可持续地运营。ADI公司的技术可以帮助提高FAANG公司的服务器效率并降低能耗。

智能电源管理的四个方向

为超大电流设备供电的通信公司不再依靠现成的组件来实现省电目标，他们利用突破性的材料和小型模块，借助新的途径实现更小、更轻的5G无线电。ADI公司提供适合客户要求的定制解决方案，同时考虑智能电源管理的四个方向，助力实现积极的节电目标。

更小的尺寸

无论是在庞大的数据中心还是5G无线电桅杆的顶部，尺寸同样重要。使用较少的金属、塑料及其它资源的较小电子电路有助于技术领导者实现其可持续发展目标。

更小的电源电路

服务器系统的外形尺寸是整个行业的标准。提高ASIC的吞吐量性能需要大幅提高功率。在尺寸限制不变的情况下，开发人员能否提高吞吐能力（信息处理量）？

ADI工程开发人员通过提供先进的高功率密度解决方案，做到了这一点。他们通过先进的集成和专有磁技术实现增值，以更高的效率和更小的尺寸提供更多功率。从本质上讲，通过ADI的创新，相同体积的解决方案，计算能力更强。

先进技术

电路与电磁功能设计、封装、集成方面的改进也在缩小无线及有线通信设备的电源系统尺寸。由ADI公司首创的µModule技术提供了业界最高的功率密度解决方案，多个功率元件组成了一个完整的电源解决方案，封装在一个表面贴装的基板内。一个将输入总线电压向下转换为系统级电压的传统电源电路最多可能包含30个独立的元件。通过将这些电路元件整合到一个µModule器件中，设备制造商可以缩小电源电路的尺寸，使其更靠近负载，从而简化设计，优化系统性能。
随着工艺技术的改进，系统电压越来越低，而电流需求以非线性的方式增加。流经配电网络电阻的电流急剧增加，会产生损耗，大大影响系统的电源效率和功耗（体现为热量）。我们都知道，功率损耗与电流的平方值成正比。我们面临的最大挑战是如何减少这种损耗。ADI公司的µModule技术可以直面解决这个挑战。

智能系统管理

为了提高峰值运行效率，需要通过智能系统管理来有效管理和控制电源系统。5G无线电和数据中心服务器系统可以从当今的新技术受益，这使得运营商能够通过应用从运营数据中得到的洞察信息，逐步提高效率和可靠性。Ai或智能电源让数据中心运营商能够监测电力使用情况，并根据需要随时关闭或启动服务器机架，从而节约能源。而没有智能系统管理的设施可能会在非高峰时段不必要的情况下开启服务器。通过使用ADI的智能系统管理，数据中心运营商可以节约高达25%的电力，同时减少电费开支。

安全和可靠性

数据中心需要大量电力才能运行。监测和控制电源故障，对安全和可靠性至关重要。ADI公司的智能热插拔技术在提供所需的系统监测和控制方面确立了行业标准，确保了数据中心的安全可靠运行。
热插拔可确保以安全的方式控制输入电流，防止元件压力导致系统故障和元件寿命性能下降。发生故障时，热插拔会向系统发出警报，并尝试限制故障状况或立即关断，从而防止发生火灾等灾难性事故。热插拔的智能技术可以管理机架安装板级电压和电流，无需关断整个机架或系统的电源，也能安全地安装备用板（或线卡）。这样就可以对单个单元进行可靠的维修，尽可能减少服务中断，从而节省时间和成本。
ADI公司的智能热插拔解决方案是一项先进的技术，可确保系统高效、安全、可靠地运行，这些都是任何高功率数据中心系统的关键参数。

可持续发展解决方案

手机和互联网数据服务是世界上大多数人保持联系和获取信息的途径。这些技术的庞大规模对环境和财务都有巨大的影响。这就是电源管理技术创新有望提高效率、增强可持续性的原因所在。
低耗电可持续解决方案在各种应用中的重要性日益增加，功率半导体是实现这一目标的核心。但技术只是一个起点。ADI致力于使电力电子系统设计人员更轻松地将安全可靠的数据中心和通信创新推向市场，并实现造福于地球及全世界人口的可持续未来目标。