利用先進的電源管理技術(shù)滿足5G通信和數(shù)據(jù)中心應(yīng)用需求

在莫哈韋沙漠邊緣的一根25米桅桿上，一臺5G無線電收發(fā)機暴露在灼熱的環(huán)境中。無線電組件越小、越輕，無線電電子系統(tǒng)的效率越高，產(chǎn)生的熱量就越少，系統(tǒng)就越容易保持冷卻和正常運行。在一個占地1000多英畝的數(shù)據(jù)中心，服務(wù)器群正在執(zhí)行數(shù)百萬次的搜索和高需求工作負(fù)載，以滿足全世界日益增長的巨大信息需求。這項技術(shù)需要快速轉(zhuǎn)換的大電流，具有非常高的功率組件密度，從而盡可能提高效率，快速傳輸內(nèi)容。

縱觀日益先進的通信世界，當(dāng)今電力電子產(chǎn)品中頗具挑戰(zhàn)性的應(yīng)用面臨尺寸、重量和功率(SWaP)等技術(shù)障礙。幾乎所有的應(yīng)用似乎都在變得更小、更輕，同時需要更高的功率，優(yōu)化SWaP的需求正在以多種新的方式推動電力電子行業(yè)的發(fā)展。電源管理技術(shù)在當(dāng)今的數(shù)據(jù)中心和通信行業(yè)的創(chuàng)新中發(fā)揮著重要作用。 以可持續(xù)性和降低成本為目標(biāo)，技術(shù)領(lǐng)先意味著實現(xiàn)更高的系統(tǒng)效率。隨著通信系統(tǒng)中采用更先進的工藝技術(shù)，工作電壓降低、電流顯著增加，這對系統(tǒng)效率提出了挑戰(zhàn)。這些新一代系統(tǒng)需要考慮純硅開發(fā)以外的方法。這正是ADI公司可以帶來進步的地方。

提升無線SWaP和效率 在無線方面，重點是充分提高功率密度和盡可能構(gòu)建小型解決方案，從而減小5G應(yīng)用的整體尺寸，或者使之具有靈活性，以便加入額外的功能。在更小的空間中運行，意味著運行會更加經(jīng)濟高效。 無線通信技術(shù)可能帶來的選擇和進步是無止境的。ADI公司深厚的領(lǐng)域知識橫跨多個行業(yè)和技術(shù)，為滿足這些系統(tǒng)不斷增長的需求提供了自己的觀點和解決方案。這些意見觀點包括影響尺寸、重量和功率的系統(tǒng)封裝的替代方式，從而得到更小的占位面積、更少的元件數(shù)量和更小的電路板面積影響。縮小電路板尺寸有助于釋放空間，從而融入新技術(shù)或更多的功能，如人工智能(AI)和語音識別。

• 消除噪音

電子技術(shù)產(chǎn)品需要各種電壓和電流才能工作，高效的功率轉(zhuǎn)換是系統(tǒng)運行良好的關(guān)鍵，這意味著需要高頻開關(guān)功率轉(zhuǎn)換。高頻開關(guān)的一個缺點是在射頻范圍內(nèi)會產(chǎn)生電磁噪聲干擾(EMI)，這種EMI干擾可能會干擾高度敏感設(shè)備的功能，比如嵌入5G網(wǎng)絡(luò)中的射頻收發(fā)器。ADI公司的Silent Switcher系列功率轉(zhuǎn)換器可在高頻下工作，同時盡可能提高效率，產(chǎn)生的電磁干擾為行業(yè)內(nèi)較低水平。這使得手機網(wǎng)絡(luò)設(shè)備的通信鏈路更加穩(wěn)固。

5G無線電設(shè)備負(fù)責(zé)在全球范圍內(nèi)提供手機和互聯(lián)網(wǎng)服務(wù)，讓同事、朋友和家人保持聯(lián)系。未來全球互聯(lián)的前景無疑將對全球人口的生活、學(xué)習(xí)、工作和娛樂方式產(chǎn)生巨大影響。為了實現(xiàn)這個目標(biāo)，第五代無線技術(shù)需要在電力電子技術(shù)方面實現(xiàn)重大進步。而且，可靠性至關(guān)關(guān)鍵，因為產(chǎn)品的壽命取決于它。

許多5G應(yīng)用程序是任務(wù)關(guān)鍵型的，并且始終處于運行狀態(tài)。醫(yī)護人員和應(yīng)急響應(yīng)人員依靠科技進行關(guān)鍵的通信和事件警報管理。

數(shù)據(jù)中心：云計算的支柱 企業(yè)和消費者的按需數(shù)據(jù)和存儲需求正在成倍增加。為了滿足這些需求，數(shù)據(jù)中心將需要大幅增加電力供應(yīng)。這意味著高效的電力轉(zhuǎn)換是管理我們目前緊張的電網(wǎng)系統(tǒng)電力需求的一個關(guān)鍵因素。電力管理技術(shù)的改進是必要的，因為一些數(shù)據(jù)中心的耗電量抵得上一個8萬人口的小城市。 ADI電源技術(shù)開發(fā)和市場拓展總監(jiān)Gary Sapia說：“ADI公司通過提供高密度、快速響應(yīng)的解決方案，為處理所有這些數(shù)據(jù)所需的先進ASIC、CPU和GPU提供支持，從而帶來增值。”為特定用途定制的專用集成電路耗電最大，在相同功率下，ADI公司的解決方案有助于降低功率轉(zhuǎn)換損耗和降低熱耗。

Google搜索中有什么？ 當(dāng)你搜索一張圖片時，比如說“所有鼻子扁平的狗”，搜索引擎就會啟動，對信息進行處理，并從大約20億個選擇中快速找到你要搜索的內(nèi)容。這項工作需要一個特殊的重型處理引擎，搜索使用人工智能(AI)的龐大數(shù)據(jù)庫。所有這些操作都需要一個機器網(wǎng)絡(luò)快速啟動來執(zhí)行任務(wù)，從而導(dǎo)致功率迅速飆升。

功率飆升就意味著電流也要飆升。這就像踩下汽車加速器的踏板：燃油噴射器打開并將氣體噴射到發(fā)動機中，帶你沖過終點線。點擊搜索時，實際上就是在推動加速器，為多個服務(wù)器提供動力。這些機器需要大量的電流來執(zhí)行你的請求——而且是現(xiàn)在就需要！ 要在很短的時間內(nèi)管理電流猛增的需求，需要以高效率和非常高的帶寬運行的特殊系統(tǒng)。ADI公司的單片集成和專有耦合電感技術(shù)可以滿足這些嚴(yán)格的要求，同時提供出色的效率并降低功耗。

尺寸、重量和功耗

無論你站在什么角度，從哪個方面看，對于數(shù)據(jù)中心和所有通信行業(yè)來說，減小尺寸、減輕重量和降低功耗的需求始終是不變的。 ADI的電路和連接產(chǎn)品系統(tǒng)包括用于管理系統(tǒng)信息控制、數(shù)據(jù)收集和轉(zhuǎn)換、高精度數(shù)據(jù)傳感器、射頻無線電解決方案和高效功率轉(zhuǎn)換的集成電路。所有這些都被封裝為分立式參考設(shè)計和高度集成的特定應(yīng)用模塊系統(tǒng)解決方案，稱為μModule。 數(shù)據(jù)中心、社交媒體公司、聯(lián)網(wǎng)設(shè)備制造商、云服務(wù)提供商和搜索引擎巨頭努力實現(xiàn)具有挑戰(zhàn)性的可持續(xù)發(fā)展目標(biāo)。美國五大科技公司（俗稱FAANG）運營著超大規(guī)模的數(shù)據(jù)中心，它們是一些非常高效的信息工廠，每一個工廠的服務(wù)器數(shù)量都高達250萬臺。近十年來，他們一直在精簡計算流程，改用可再生能源，并研究更好的方法來冷卻其設(shè)施。這些數(shù)據(jù)巨頭還自行承擔(dān)了一項特殊的責(zé)任，那就是盡量減少對地球資源的使用。

盡量減少電力成本 隨著5G和高數(shù)據(jù)速率系統(tǒng)需求的出現(xiàn)，數(shù)據(jù)中心的處理能力正在飛速增長。通常電力可以占到一個普通數(shù)據(jù)中心成本的一半以上，其中30%至40%用于建設(shè)冷卻系統(tǒng)。當(dāng)電力和冷卻系統(tǒng)的費用仍然是運營費用的一個重要部分時，無論從財務(wù)還是業(yè)務(wù)運營角度來看，都需要降低電力消耗。 低效的電力系統(tǒng)會產(chǎn)生更多的熱量。因此，更高效的電力系統(tǒng)將需要更少的能源來運行，更少的空間用于冷卻系統(tǒng)，更少的資金用于風(fēng)扇、散熱器和其他形式的熱管理。降低數(shù)據(jù)中心的電力消耗有助于通信企業(yè)更有效、更加可持續(xù)地運營。ADI公司的技術(shù)可以幫助提高FAANG公司的服務(wù)器效率并降低能耗。

智能電源管理的四個方向

為超大電流設(shè)備供電的通信公司不再依靠現(xiàn)成的組件來實現(xiàn)省電目標(biāo)，他們利用突破性的材料和小型模塊，借助新的途徑實現(xiàn)更小、更輕的5G無線電。ADI公司提供適合客戶要求的定制解決方案，同時考慮智能電源管理的四個方向，助力實現(xiàn)積極的節(jié)電目標(biāo)。

• 更小的尺寸

無論是在龐大的數(shù)據(jù)中心還是5G無線電桅桿的頂部，尺寸同樣重要。使用較少的金屬、塑料及其它資源的較小電子電路有助于技術(shù)領(lǐng)導(dǎo)者實現(xiàn)其可持續(xù)發(fā)展目標(biāo)。

• 更小的電源電路

服務(wù)器系統(tǒng)的外形尺寸是整個行業(yè)的標(biāo)準(zhǔn)。提高ASIC的吞吐量性能需要大幅提高功率。在尺寸限制不變的情況下，開發(fā)人員能否提高吞吐能力（信息處理量）？

ADI工程開發(fā)人員通過提供先進的高功率密度解決方案，做到了這一點。他們通過先進的集成和專有磁技術(shù)實現(xiàn)增值，以更高的效率和更小的尺寸提供更多功率。從本質(zhì)上講，通過ADI的創(chuàng)新，相同體積的解決方案，計算能力更強。

• 先進技術(shù)

電路與電磁功能設(shè)計、封裝、集成方面的改進也在縮小無線及有線通信設(shè)備的電源系統(tǒng)尺寸。由ADI公司首創(chuàng)的μModule技術(shù)提供了業(yè)界最高的功率密度解決方案，多個功率元件組成了一個完整的電源解決方案，封裝在一個表面貼裝的基板內(nèi)。一個將輸入總線電壓向下轉(zhuǎn)換為系統(tǒng)級電壓的傳統(tǒng)電源電路最多可能包含30個獨立的元件。通過將這些電路元件整合到一個μModule器件中，設(shè)備制造商可以縮小電源電路的尺寸，使其更靠近負(fù)載，從而簡化設(shè)計，優(yōu)化系統(tǒng)性能。 隨著工藝技術(shù)的改進，系統(tǒng)電壓越來越低，而電流需求以非線性的方式增加。流經(jīng)配電網(wǎng)絡(luò)電阻的電流急劇增加，會產(chǎn)生損耗，大大影響系統(tǒng)的電源效率和功耗（體現(xiàn)為熱量）。我們都知道，功率損耗與電流的平方值成正比。我們面臨的最大挑戰(zhàn)是如何減少這種損耗。ADI公司的μModule技術(shù)可以直面解決這個挑戰(zhàn)。

• 智能系統(tǒng)管理

為了提高峰值運行效率，需要通過智能系統(tǒng)管理來有效管理和控制電源系統(tǒng)。5G無線電和數(shù)據(jù)中心服務(wù)器系統(tǒng)可以從當(dāng)今的新技術(shù)受益，這使得運營商能夠通過應(yīng)用從運營數(shù)據(jù)中得到的洞察信息，逐步提高效率和可靠性。Ai或智能電源讓數(shù)據(jù)中心運營商能夠監(jiān)測電力使用情況，并根據(jù)需要隨時關(guān)閉或啟動服務(wù)器機架，從而節(jié)約能源。而沒有智能系統(tǒng)管理的設(shè)施可能會在非高峰時段不必要的情況下開啟服務(wù)器。通過使用ADI的智能系統(tǒng)管理，數(shù)據(jù)中心運營商可以節(jié)約高達25%的電力，同時減少電費開支。

安全和可靠性 數(shù)據(jù)中心需要大量電力才能運行。監(jiān)測和控制電源故障，對安全和可靠性至關(guān)重要。ADI公司的智能熱插拔技術(shù)在提供所需的系統(tǒng)監(jiān)測和控制方面確立了行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)，確保了數(shù)據(jù)中心的安全可靠運行。 熱插拔可確保以安全的方式控制輸入電流，防止元件壓力導(dǎo)致系統(tǒng)故障和元件壽命性能下降。發(fā)生故障時，熱插拔會向系統(tǒng)發(fā)出警報，并嘗試限制故障狀況或立即關(guān)斷，從而防止發(fā)生火災(zāi)等災(zāi)難性事故。熱插拔的智能技術(shù)可以管理機架安裝板級電壓和電流，無需關(guān)斷整個機架或系統(tǒng)的電源，也能安全地安裝備用板（或線卡）。這樣就可以對單個單元進行可靠的維修，盡可能減少服務(wù)中斷，從而節(jié)省時間和成本。 ADI公司的智能熱插拔解決方案是一項先進的技術(shù)，可確保系統(tǒng)高效、安全、可靠地運行，這些都是任何高功率數(shù)據(jù)中心系統(tǒng)的關(guān)鍵參數(shù)。

可持續(xù)發(fā)展解決方案 手機和互聯(lián)網(wǎng)數(shù)據(jù)服務(wù)是世界上大多數(shù)人保持聯(lián)系和獲取信息的途徑。這些技術(shù)的龐大規(guī)模對環(huán)境和財務(wù)都有巨大的影響。這就是電源管理技術(shù)創(chuàng)新有望提高效率、增強可持續(xù)性的原因所在。 低耗電可持續(xù)解決方案在各種應(yīng)用中的重要性日益增加，功率半導(dǎo)體是實現(xiàn)這一目標(biāo)的核心。但技術(shù)只是一個起點。ADI致力于使電力電子系統(tǒng)設(shè)計人員更輕松地將安全可靠的數(shù)據(jù)中心和通信創(chuàng)新推向市場，并實現(xiàn)造福于地球及全世界人口的可持續(xù)未來目標(biāo)。查看往期內(nèi)容↓↓↓