1 能耗分析

　　1.1 数据中心能耗分析

　　数据中心供电原理如图 1 所示， 其耗电量主要分 为两部分，即 网 络 关 键 物 理 基 础 设 施 (NCPI )(包 括 供 配电系统、空调系统及办公照明等)和 IT 设备(主要是 服务器、存储器等)。 数据中心各个部分的典型能耗分配如图 2 所示，

　　kWh，占全美总用电量的 1.5% ，并在此后的 5 年，每年 以超过 100 亿 kWh 的速度增长， 在 2011 达到 1 245 亿 kWh ，占全美用电量比例提升至 2.5% ，数据中心已

　　成为发达国家名副其实的耗电大户。 另据统计， 目前我国通信行业的年耗电量已在

　　300 亿 kWh 以上，同时，随 着 近 年 来 互 联 网 技 术 的 飞

　　速发展， 运营商数据中心耗电量及占比均迅速增加。 相信随着我国经济的快速发展和经济结构的持续改 善，在可预见的将来数据中心耗电量必将持续快速增 长，节能减排潜力巨大。

　　采用自然冷却(新风或热交 换)、优化冷热通道、**制冷、变频技术、空调添加剂 等多种节能技术;UPS 系统采用高频机、模块机、谐波 治理、高压直流供电等多种节能技术及产品。对于耗电

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　　电经变压器降压后，经市油转换、低压配电、谐波治理 后， 由 UPS 提供不间断电源， 再由 PDU 分配给 IT 设 备，每个环节都将造成电能的损耗，其中*大的损耗发 生在 UPS 环节，UPS 运行效率多在 90% 左右， 对于某 些负载率较低或冗余配置较高的 UPS 系统，运行效率 更低。 按照以上供电模型，如果 IT 设备电源供应器效率 提升 1%，则整个 IT 设备供配电回路损耗将降低约：

　　图1 数据中心供电原理

　　⊿P1=1%/99%/90%/97%/99%/99%=1.18% 同时，由于供配电回路损耗降低，对空调系统的制 冷量需求也相应降低，按空调能效比 3.2 考虑，则空调 系统相应耗电量降低约： ⊿P2=1.18%/3.2=0.37% 则 IT 设备电源供应器效率提升 1%， 将使整个数 据中心能耗降低约： ⊿P=⊿P1+⊿P2=1.18%+0.37%=1.55% 当前在用服务器电源供应器转换效率基本为

　　图2

　　数据中心典型能耗分配

　　75%～95% ，*大差距在 20 个点左右，如果使用*坏情

　　况分析法， 采用高效率电源供应器和低效率电源供应 器，两者对数据中心总能耗的影响将达到 31% (1.55%

　　量占数据中心总耗电量一半以上的 IT 设备，目前节能 降耗重点聚焦在主功能单元上，即多采用刀片服务器、 虚拟计算、低功耗微处理器等方法，但对于占 IT 设备 功耗 20% 左右 (按在用 IT 设备电源供应器 80% 的平 均运行效率估算)的电源供应器，由于多属于原始设计 商产品，用户及 IT 设备厂商可能对其了解不深，其节 能降耗往往容易被忽视。

　　×20)，这是一个非常令人震惊的数据。 1.2.2 输入功率因数的影响 IT 设备电源 供 应 器 输 入 功 率 因 数 同 样 也 对 数 据

　　中心总能耗有影响，输入功率因数较高的电源供应器， 相电流及中性线电流均更小， 电流传输过程中损耗更 低，同时提高整个供配电系统内的电源质量，改善系统 中设备的运行环境、提高设备的可靠性。 图 4 为美国电力研究所 (EPRI Solutions ) 测试数 据，左边的测试对象为普通的电源供应器，右边的测试 对 象 为 通 过 “80 PLUS ”认 证 的 (即 输 入 功 率 因 数 高 于

　　1.2 IT 设备供电分析 1.2.1 效率模型分析 要对 IT 设备能耗进行分析， 首先要建立 IT 设备

　　供电效率模型， 目前数据中心 IT 设备大多采用 UPS 供电， 图 3 是传统数据中心 IT 设备供电效率模型，市

　　0.9)电源供应器。 从测试数据看出，通过10

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　　证的电源供应 器 ，相 电 流 降 低 超 过 40% ，中 性 线 电 流 降低超过 80% ， 另外电流波形为典型的正弦波形，峰 值电流及波形畸变率均较普通电源供应器小。

　　1.2.3 小结 对于 IT 设备电源供应器，转换效率和输入功率因

　　数是影响节能效果*主要的性能指标，另外，待机损耗 (空载损耗) 也是电源供应器重要的节能性能指标，但 针对数据中心的应用特点，该指标的节能意义不大。因 此， 下文提到的高性能电源供应器主要是指高转换效 率及高输入功率因数的电源供应器。

　　IT 设备运行及寿命*致命的杀手 (温度每上升 10℃ ， 半导体器件失效率上升 1 倍;电解电容的工作寿命，与 温度呈指数关系)，特别是 IT 设备内部温度，如采用高 性能电源供应器，由于效率的提升，直接导致 IT 设备

　　内部发热量的减少，降低了设备内部温度，提高了设备 运行的可靠性并延长了其使用寿命。

　　b) 由于 IT 设备运行可靠性的提高， 相应的降低

　　了设备的维护维修成本，减少了维护工作量。

　　c) 高输入功率因数的电源供应器， 减少了 IT 设

　　备对供电系统的干扰，提高了供电系统电源质量，也改 善了供电系统内设备的供电环境。

　　1.3 采用高性能电源供应器的优势 IT 设备采用高性能电源供应器，不仅能够节约能

　　源费用的支出，还具有其他非能源方面的优势。

　　1.3.1 能源优势 a) 节约能源消耗是采用高效 率 电 源 供 应 器 * 直 接的优势。 以数据中心平均功耗为 2.5 kW 的服务器机 架为例，按照 1.2 节的计算，该服务器机架所有服务器

　　的电源供应器效率每提升 1% ， 将使数据中心总能耗 降低约 39 W ，如采用*坏情况分析法，服务器电源供 应器整体效率从 75% 提升至 95% ，单个机架就可使整 个数据中心能耗降低约 780 W ， 单个机架一年就可节 省耗电约 6 800 kWh 。

　　d) 由于 IT 设 备 能 耗 降 低 及 使 用 寿 命 的 延 长 ，也 相应降低了其总所有成本(TCO )。 e) IT 设备主要噪声来源于内部风扇，由于设备能

　　耗下降，使其内部散热需求降低，风扇转速下降，使噪 声更低、机房环境更加安静。

　　2 高性能电源供应器的实现

　　2.1 提高电源供应器转换效率 IT 设备电源供应器从线性电源到开关电源，经历

　　了质的飞跃，转换效率 从 50% 提 升 至 70% 左 右 ，但 由 于开关电源自身功率传输及电源管理过程中的损耗， 再从整体技术方案上提升转换效率已变得非常困难， 但为满足业界对电源供应器越来越高的转换效率要 求，电源厂商、芯片制造商

　　通过对电源供应器每个功能 单元甚至每个器件仔细分析， 采用各种新技术、 新器 件，目前高性能电源供应器效率*高已能达到 95% 左 右。 图 5 为电源供应器原理框图， 输入交流电源经过

　　b) 由于电源供应器效率的提升， 使 IT 设备整体

　　功耗及发热量下降，释放了数据中心电源及空调资源， 可以安装更多的设备。

　　c) 高输入功率因数的电源供应器，可以降低供电

　　回路中的电能传输损耗。

　　1.3.2 非能源优势 a) 提高 IT 设备运行的可靠性。 众所周知，温度是

　　图4

　　普通电源供应器和高功率因数电源供应器输入电流对比

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　　EMI 滤波后，再经过 PFC 、DC-DC 等功率变换单元，* 终转换成不同电压等级的低压直流电源，供给 IT 设备

　　内的各个功能单元。要提升电源供应器的效率，应从每 个功能单元甚至每个元件入手感，以降低磁损和绕组线损。

　　e) 选用更低等效串联电阻 (ESR) 的输出电解电容。

　　2.1.1 EMI 电路 EMI 即电磁干扰的意思，EMI 电路是电源供应器

　　的重要功能单元，可有效滤除电网中的干扰信号，并阻 止电源供应器中的传导及辐射干扰传递到电网及周围 空间中去。 EMI 电路虽然能耗不大，但对于本来就已经 很难提高的转换效率来说， 也是值得关注的。 要降低

　　f) 优化电流采样电路的设计。 g) 将 PFC 段与主 DC-DC 变换段结合， 以减少控

　　制芯片、功率器件及磁性元件的使用，达到降低能耗的 目的，但该技术目前**于小功率电源供应器的应用。

　　2.1.4 主 DC- DC 变换 主 DC-DC 变换是将整流升压后的高压直流转换

　　成低压直流的电路，是电源供应器*核心的功能单元， 也是损耗*大的功能单元，而且拓扑结构众多，所以降 耗的方法也相当繁多，主要有以下几个方面：

　　EMI 电路损耗， 目前多采用高性能的电容及电感器产

　　品，但优化整个电源供应器的设计，减少电路中干扰源 的产生，以减少 EMI 器件的使用，才是降低 EMI 电路 损耗的根本方法。

　　a) 引入新的拓扑结构，如频率反走、同步整流、软

　　开关(准谐振、谐振、有源嵌位)等。

　　2.1.2 整流桥

　　整流桥是将输入的交流电转化为直流电的器件， 电流在电源供应器中损耗较大， 目前主要采用具有低 导通电压及低反向恢复电流的整流桥产品以达到降低 能耗的目的。

　　b) 评估开关管的开关损耗和导通损耗的影 响 程 度，合理的选择更低的导通电阻(Rds(on))或更小的输入

　　电容(Ciss)、反馈电容(Crss)的开关管。

　　c) 优化初级侧电流波形(更低的峰值及有效值电

　　流)。

　　2.1.3 PFC PFC 即功率

　　d ) 选用低导通电压的整流管或采用场效应 管 整

　　流。

　　e) 选用新型的磁芯材料，及更加合理的变压器及

　　电感设计，降低磁损及线损。

　　2.1.5 多电压输出

　　对于后端的多电压输出分路， 根据不同的稳压需 求和能耗要求，可选择耦合扼流圈或同步整流 DC-DC 变换等方式，以降低能耗。

　　PFC 的降耗措施主要有： a) 根据不同的应用场景选择合适的工作模式(连 续工作模式 CCM 、 临界工作模式 CRM 及非连续工作 模式 DCM ); b) 评估开关管的开关损耗和导通损耗的影 响 程

　　度，合理的选择更低的导通电阻(Rds(on))或更小的输入 电容(Ciss)、反馈电容(Crss)的开关管。

　　2.2 提高电源供应器功率因数

　　目前， 主流的功率因数校正电路仍然采用升压拓 扑结构(Boost )的有源功率因数校正技术，可将电源供 应器功率因数提升至 0.99 以上。 另外，业界对降压拓 扑结构(Buck)PFC 、交错式 PFC 、无桥 PFC 等新型拓扑 结构进行了研究及应用， 以期能获得更高的功率因数 及更低的损耗。

　　c) 选用反向恢复时间更短、 反向恢复电荷更少、

　　且具有软恢复特性的升压二极管。

　　d ) 选用新型的磁芯材料， 并更加合理地设 计 电

　　2.3 小结

　　DC 变换 PFC

　　控制

　　DC-DC

　　控制 主 DC-DC 控制 变压器 输出整流 输出滤波

　　DC 变换 DC 变换

　　EMI 电路

　　整流桥

　　PFC

　　主 DC-DC 回路

　　图5

　　电源供应器原理框图

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　　为了提高电源供应器的转换效率及功率因数，制 造出更加绿色节能的产品，业界做了众多的研究工作， 提出了不同的解决方案，以上仅是介绍其中的一部分， 希望能够引起通信行业对电源供应器节能技术的关 注。

　　3 IT 设备电源供应器评价标准

　　针对 IT 设备电源供应器，目前我国 CCC 认证仅要 求在带载情况下，转换效率高于 65% ，市面上的产品基 本上均能满足该项要求，没有实际的节能评价意义。 目前国际上广泛认可及采用“80 PLUS ”认证。 “80

　　图6 “80 PLUS ”认证各等级效率曲线示例

　　占 30% 左右)。 数据中心内的 IT 设备主要分为运营商 自有设备及托管设备。 对于运营商自有设备，可在 IT 设备采购时将电源 供应器转换效率及输入功率因数作为一项重要的节能 评判指标，指导设备的采购工作。 对于托管设备， 节约的电费即直接转化为运营利 润，因此，可采用实行托管设备电源供应器准入、电源 供应器能效性能指标与租金挂钩、 或与客户分享高性 能电源供应器带来的节电收益等多种方式， 降低托管 设备的能耗、提高基础资源利用率、节省电费开支，增 加运营利润。

　　PLUS”计划是由美国能源署出台，Ecos Consulting 负责

　　执行的一项**性的现金奖励方案。 *初是为了鼓励 设备厂商在生产台式机和服务器时选配在 20% 、50% 及 100% 负 载 情 况 下 ， 转 换 效 率 均 在 80% 以 上 且 在

　　50% 负载情况下功率因数(PF)值大于 0.9 的电源供应 器， 仅有 115 V 输入电压一种测试标准。 但随着“80 PLUS”认证逐渐在全球范围内被认可、开关电源技 术

　　的进步以及数据中心的 发 展 ，230 V 输 入 电 压 的 电 源 供应器也于 2008 年被纳入，并同时新增铜牌、银牌及 **认证，在 2010 年又新增了白金认证等级，各个等 级的认证要求如表 1 所示， 各等级对转换效率的要求 逐级提高， 其中白金认证对 230 V 输入电压的电源供 应器，效率要求均在 90% 以上，功率因数在 0.95 以上。 图 6 是某国际知名服务器厂商旗下服务器内几款 通 过 各 级 “80 PLUS ”认 证 的 电 源 供 应 器 的 负 载 - 效 率 曲线，其中电源供应器均为 230 V 输入、冗余配置，可 看出整体效率按照认证等级逐级提高， 且*高效率均 为 50% 左右。

　　5 结束语

　　通信行业的节能减排工作已深入到了行业内的各 个方面，相信 IT 设备电源供应器这个潜在的“耗能大 户”，会逐渐被发掘出巨大的节能潜力，为行业特别是 数据中心的节能减排做出新的贡献。 参考文献：

　　[1 ] EPA. Report to Congress on Server and Data Center Energy Efficiency (R ). 2007. [2 ] Ecos Plug Load Solutions Website (www.plugloadsolutions.com ). [3 ] ON Semiconductor. ON Semiconductor Efficient Power Solutions Semi-