服务器Power电路设计(上)

背景介绍

服务器主板的供电部分电路是主板上重要的部分之一,它负责电源模块PSU输出的12V电压转化为CPU、内存、PCH、BMC及其他电路所需的适当电压。这部分电路是由多个不同的VR电路组成的供电方案形成的,在本文中VR指的是可以把12V电压或其他电压转换成相应负载所需供电的供电电路,包括controller芯片、Driver芯片及它们外围电容电感电阻等共同组成的电路。一个理想的供电电路输出应该不会有任何的电压波动或杂波,提供给CPU和其它部件干净和平稳的电压。实际的供电电路将会有或多或少的电压波动或杂波,我们在设计供电电路的过程中应设法减小这方面的影响,如果处理不好,差的供电输出将会影响服务器的正常工作,譬如服务器重启,死机等。因此一个良好的供电电路设计,是设计服务器主板的关键之一,它将能够保障服务器系统的稳定运行和持续使用。

电源模块PSU

供电电路的能力是将PSU输出的12V电压转换为CPU等各器件所需要的电压,因此,设计电路之初,最应该了解的是的电源模块PSU,PSU是一个在服务器机箱可插拔的模块,在服务器上通常使用2块PSU以实现电源的热插拔和电源冗余,以下为两个市场上不同品牌的使用在2U服务器上电源模块的铭牌。

可以看出,PSU的输入为我们常用的市电,而输出则有两路,均为12伏特的电压,但两路电的输出电流不同,12V路的输出电流为百安级,而12VSTBY(Stand By)的输出电流一般为3A,这样的设计的目的是服务器不同的工作场景不同的工作负载,可以使用不同的电并且可以减小服务器的功耗,例如服务器关机的情况下,BMC芯片等相关的电路必须保持工作,从而可以监控管理服务器的工作状态,在这种情况下,BMC芯片的供电由12VSTBY提供,在最小的功耗下维持BMC芯片的正常工作。下图为电路原理图中PSU的接口,其中P12V为大电流输出,P12V_STBY为小电流输出;之后P12V和P12V_STBY将会通过一个二选一的电路输出P12V_AUX。

负载供电需求

为整个服务器设计供电电路,首先要确定的便是服务器上有哪些主要的工作负载以及其供电的需求。在服务器上主要的负载有以下几个:CPU、内存、PCH,BMC、USB、PCIE、硬盘等。下面主要参考Intel PDG(Platform Design Guide)手册详细的了解下各个负载供电。

(1)核心部件CPU

CPU是整个服务器最核心的器件,以至强可扩展处理器为例,仔细阅读指导手册发现,共有4个不同的电必须提供,分别如下:

其中,VCCIN、VCCSA和VCCIO需要分别设计不同的供电VR(Voltage Regulator),而VDDQ_ABC(DEF)可由给内存VDDQ供电的VR提供;除去这四个外,还有其他的电根据使用的处理器与设计的服务器的功能不同而选择是否供电。

(2)内存供电

在主板上,一个CPU可支持多个内存DIMM,一般服务器主板上使用两个CPU(CPU0和CPU1),可支持四个channel的内存DIMM,分别为ABC,DEF、GHI和KLM,DDR4 DIMM的供电需求如下:

因此给内存供电需设计三个供电VR。

(3)PCH供电

PCH是集成南桥芯片,需要提供多个供电轨道,然而大体而言需要提供的电压共有以下几个:

因此PCH的供电VR共需四个。

(4)BMC及BMC DDR4的供电

服务器上一般会用到BMC,用于整个系统平台的监控和管理,保证系统处于健康的工作状态,因此BMC只要接通电源就会一直保持在工作状态,给BMC供电都由P12V_AUX转换而来。

除以上之外,还有其他电需要提供,但可以利用已有的VR,如3.3V_AUX、VCCIO。

(5)其他负载供电

除以上几个主要供电负载外,USB、PCIE、硬盘等都需要提供所需的供电,另外,主板上有很多的小的逻辑芯片也需要供电,总结起来主要为以下几个电(除12V外):

至此其他负载共需3个VR来供电。

VR类型及其适用负载

根据Intel PDG手册在Purley平台上共有三种VR类型使用到,分别是SVID VR13.0、开关型VR以及线性VR。

SVID VR13.0

其基本构成形式为一个SVID控制芯片加一个驱动芯片构成,SVID控制芯片通过SVID总线与CPU相互传递电源管理信息,从而动态调整输出供电。

开关型VR和线性VR

开关型VR和线性VR是最常见的两种VR类型,开关电源和线性电源在内部结构上是完全不一样的,开关电源顾名思义有开关动作,它利用变占空比或变频的方法实现不同的电压,实现较为复杂,最大的优点是高效率,一般在90%以上,缺点是文波和开关噪声较大,适用于对文波和噪声要求不高的场合;而线性电源没有开关动作,属于连续模拟控制,内部结构相对简单,芯片面积也较小,成本较低,优点是成本低,文波噪声小,最大的缺点是效率低。

根据需求结合PDG手册,各个供电的VR如下;

单相和多相供电

单相供电一般能提供最大25A的电流,而现今常用的处理器早已超过了这个数字,单相供电无法提供足够可靠的动力,所以现在主板的供电电路设计都采用了两相甚至多相的设计。供电模块电路有更多的相位有几个优点。最明显的是,可以提供更大的电流,这时MOSFET负载更低,延长了使用寿命,同时降低这些部件工作温度。另一个好处是,多相位通常的输出电压更稳定。多相供电也有缺点:在成本上总是大一些,对设计的要求也更高些,而且一般来说元器件越多越不利于散热,出现的故障率也越大,相互之间的干扰也较高。

参考PDG并结合一般设计经验,我们的各个供电如下设计:

VCCIN使用5相

VDDQ使用2相

其他供电使用单相

芯片选型用到的参数

设计各个VR时,主要用到各种控制芯片、驱动芯片以及大量的电阻电容电感,对于如何芯片选型以及如何选择合适的电阻电容电感主要用到以下参数:

Vout:输出电压

Ripple:输出电压波动

DC tol:低频直流允许误差

AC tol:高频交流允许误差

Iout max:最大输出电流

Iout di/dt:压摆率

开关频率:开关电源的开关频率

Iocp:过流保护电流值

Load Line

Iout TDC

Current step

对比各厂家提供的芯片的参数,选出合适的芯片。

方案形成

最后,当确定了供电电路的输入(PSU的输出),清楚了各个负载的需求,就可以形成整个主板的供电方案。CDN服务器基本power供电方案如下图:

至此,完成了一个主板的Power供电方案的设计。

方案的完成标志着整个主板的供电结构确定,但如何去丰富整个方案的内容,如何去实现各个VR电路,这部分内容将会在下篇提到,到时将会详细描述一个VR应该怎样设计以实现所需的供电。

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