Adesea, alegerea sursei de alimentare se face pe baza unei singure cifre de eficiență din fișa tehnică, iar producătorii fac tot posibilul pentru a crește această cifră, inclusiv prin definirea tot mai atentă a condițiilor de măsurare. Proiectanții vin cu topologii mai sofisticate, cum ar fi convertoare PSFB (phase-shifted full bridges) și LLC, iar la nivel de componente, MOSFET-urile înlocuiesc diodele pentru a reduce pierderile. Chiar și siliciul este pus la încercare, deoarece materialele cu bandă interzisă largă (WBG), cum ar fi carbura de siliciu (SiC) și nitrura de galiu (GaN), promit performanțe îmbunătățite, chiar și la viteze mari de comutare.
Cifra exactă a eficienței indicată în fișa tehnică a unei surse de alimentare nu înseamnă prea mult pentru utilizatorii finali. Pe aceștia îi interesează mai mult eficiența sistemului sau a procesului, precum și respectarea (sau chiar mai mult decât atât) a obligațiilor de mediu și a obiectivelor financiare. Există o conștientizare tot mai mare a faptului că sprijinul pentru mediu (și controlul costurilor) este mai important decât cifra de eficiență a sursei de alimentare din fișa tehnică, atunci când este analizată pe durata de viață a unui sistem. Cu toate acestea, deoarece achiziționarea și întreținerea spațiilor imobiliare costă bani, aceștia se concentrează foarte mult pe amplasarea cât mai multor echipamente generatoare de venituri în spațiul lor. Prin urmare, pentru ei, densitatea de putere este, de cele mai multe ori, mai valoroasă decât eficiența.
Acest articol analizează în detaliu densitatea de putere și eficiența, luând în considerare ce costuri implică obținerea unei eficiențe mai mari, precum și achiziționarea de soluții de alimentare de înaltă performanță și, în cele din urmă, de eliminare a lor în mod responsabil. Articolul pune în contrast aceste aspecte cu o abordare axată pe creșterea densității de putere și pe modul în care este îmbunătățită eficiența sistemului. De asemenea, articolul examinează posibilitatea de a pune accentul pe managementul căldurii, mai degrabă decât pe eficiența generală a conversiei de putere.
Conceptul de eficiență
Eficiența este un concept ușor de înțeles: Cu cât te apropii mai mult de 100%, cu atât mai bine este totul. Dar totul ține de modul în care este gândită eficiența; într-un birou sau într-un centru de date, nu au loc activități relevante (din punct de vedere fizic) – nu se deplasează utilaje mari – astfel încât am putea considera aceste locuri ca având o eficiență de 0%, deoarece toată energia utilizată se transformă în cele din urmă în căldură în calculatoare, servere, echipamente de stocare și conversie a energiei.
Dacă, totuși, ați compara eficiența veniturilor – cu alte cuvinte, raportul dintre costul cu energia electrică și veniturile obținute – atunci eficiența ar putea ajunge la 1000%. Așadar, pentru performanța și succesul afacerii, obiectivul ar trebui să fie menținerea costurilor cu energia electrică la un nivel cât mai scăzut posibil, prin reducerea cantității de energie electrică utilizată, per unitate de producție.
Fiecare manager de centru de date este confruntat cu provocarea de a crește capacitatea de procesare și de stocare, precum și de a genera venituri și profit. Pentru a face acest lucru, ei trebuie să țină sub control costurile cu energia electrică și să se asigure că achizițiile se amortizează rapid. Pe măsură ce se adaugă noi servere, costurile cu energia electrică (precum și capacitatea de a obține venituri) cresc, iar acest raport dintre venituri și costuri este definit în parte de selecția echipamentelor.
Într-o fabrică, singurul motiv valabil pentru a adăuga un alt motor puternic este acela de a obține mai multă producție vandabilă, astfel încât acționarea motorului și alimentarea cu energie electrică asociată sunt pur și simplu costuri generale care nu adaugă nicio valoare comercială ca atare. Prin urmare, toate cheltuielile de exploatare (inclusiv energia electrică) asociate cu funcționarea motorului sunt văzute ca o scădere a rezultatului final. Eficiența este importantă, dar numai în contextul îndeplinirii activității necesare utilizând cât mai puțină energie electrică.
Pierderile sunt importante peste tot
Figura 1: Surse de alimentare diferite vor avea un randament la sarcină redusă foarte diferit. (Sursa: Mouser Electronics)
Proiectarea electronică este plină de formule (de exemplu, eficiența este egală cu puterea de ieșire împărțită la puterea de intrare, ca procent, iar pierderile sunt egale cu puterea de intrare minus puterea de ieșire). Însă, pentru ca aceste formule să aibă sens, este necesar un context, cum ar fi nivelurile de putere și condițiile de funcționare și de mediu. Chiar și cu o formulă definită, producătorii de surse de alimentare pot selecta cele mai bune condiții, făcând ca eficiența să pară mai bună decât va fi în condiții reale.
Adesea, eficiența este specificată aproape de sarcina maximă, dar puține sisteme (în special în aplicațiile redundante) funcționează la acest nivel pentru o perioadă de timp și, departe de “punctul optim”, eficiența poate fi mult mai mică. În general, eficiența va scădea semnificativ când se apropie de sarcină zero, iar modul în care se întâmplă acest lucru este diferit pentru fiecare sursă de alimentare. Astfel, energia consumată atunci când un server este în repaus poate fi diferită cu un ordin de mărime (sau mai multe).
În figura 1, la o încărcare de 5%, convertorul reprezentat de linia albastră disipează de cel puțin trei ori mai repede decât convertorul reprezentat de linia portocalie. Pierderile la sarcini (încărcări) ușoare ar trebui să fie în centrul atenției în timpul selecției, deoarece acestea determină o diferență semnificativă în ceea ce privește consumul total de energie.
Recunoscând importanța eficienței la sarcină mică, au fost elaborate standarde, cum ar fi inițiativa “80 PLUS” (tabelul 1), pentru a stipula eficiența minimă în toată gama de sarcini. 80 PLUS Titanium este cea mai dură specificație, necesitând o eficiență de cel puțin 94% la o sarcină de 50% și de 90% la o sarcină de 10% (pe baza unui sistem alimentat la 115V). Pentru un sistem de 230V, cerința la o sarcină de 50% se schimbă la 96%, în timp ce la o sarcină de 10% se cere tot 90%.
| Certificare 80 PLUS | 115V intern non-redundant | 115V Industrial | ||||||
| % din sarcina nominală | 10% | 20% | 50% | 100% | 10% | 20% | 50% | 100% |
| 80 PLUS | — | 80% | 80% | 80%/PFC 0,9 | — | |||
| 80 PLUS Bronze | —- | 82% | 85%/PFC 0.9 | 82% | — | |||
| 80 PLUS Silver | — | 85% | 88%/PFC 0,9 | 85% | 80% | 85%/PFC 0.9 | 88% | 85% |
| 80 PLUS Gold | — | 87% | 90%/PFC 0,9 | 87% | 82% | 87%/PFC 0,9 | 90% | 87% |
| 80 PLUS Platinum | — | 90% | 92%/PFC 0.95 | 89% | 85% | 90%/PFC 0,95 | 92% | 90% |
| 80 PLUS Titan | 90% | 92%/PFC 0.95 | 94% | 90% | — | |||
Tabelul 1: Rezumat al cerințelor 80 PLUS pentru sistemele alimentate la 115V. (Sursa: Mouser Electronics)
Îndeplinirea cerințelor 80 PLUS reprezintă o provocare, în special la nivelurile superioare care au fost introduse după dezvoltarea sistemului de certificare în 2004. Nivelul de bază cerea o eficiență de 80% la o sarcină de 50%, în timp ce atingerea nivelului Titanium (94%) presupune reducerea pierderilor cu trei sferturi.
Aceasta reprezintă o creștere a eficienței cu 14%, dar un convertor de putere de 1kW ar trebui să reducă pierderile de la 250W la 64W. Este evident că modificarea unei topologii sau a unui proiect existent nu va permite atingerea acestui obiectiv, iar industria a răspuns cu abordări inovatoare. De exemplu, diodele au fost înlocuite cu MOSFET-uri cu comandă sincronă. În plus, au fost introduse topologii rezonante PSFB și LLC pentru a limita pierderile de comutare, iar noile tipuri de materiale WBG permit reducerea pierderilor odată cu creșterea frecvenței de comutare.
Având în vedere că multe convertoare necesită conversie în două etape (de exemplu, corecția factorului de putere (PFC) și DC-DC), se cere ca eficiența fiecărei secțiuni să fie și mai mare. Puntea redresoare a rețelei de alimentare de intrare a fost schimbată din patru diode într-o rețea de MOSFET-uri care sporesc eficiența etapei PFC.
Deoarece aceste tehnologii sunt noi, ele pot fi costisitoare și există un risc asociat cu orice lucru care nu are (încă) ani de fiabilitate dovedită pe teren. Totuși, rămâne o cerere constantă pentru cifre de eficiență din ce în ce mai mari, care să se îndrepte spre 99% și chiar mai mult.
1%: Puțin sau mult?
Pe măsură ce eficiența devine mai mare, fiecare ușoară creștere devine și mai dificilă. Trecerea de la 97% la 98% necesită reducerea pierderilor cu o treime. Și mai complicat, trecerea de la 98% la 99% presupune reducerea pierderilor cu încă jumătate.
Figura 2: Pierderi în funcție de eficiență într-un convertor de putere de 1 kW. (Sursa: Mouser Electronics)
Această reducere cu 50% ar necesita, cu siguranță, o reproiectare totală bazată pe tehnici mai complexe și componente cu preț ridicat, cu un timp de proiectare și riscuri mai mari. O sursă de 1 kW disipează 20,4 W la o eficiență de 98%; trecerea la 99% reduce pierderile la 10,1 W (figura 2). Implicațiile de cost pentru economisirea a doar 10,3W sunt foarte importante în timp cât și în ceea ce privește costul final al BOM.
S-ar putea spune că toate economiile de energie merită să fie realizate, dar acest lucru poate să nu fie în întregime adevărat dacă privim imaginea de ansamblu. În Statele Unite, industria plătește aproximativ 0,165 dolari pe kilowatt-oră. Pe parcursul unei durate de viață de cinci ani pentru o sursă de alimentare de 1 kW la un timp de funcționare de 100%, o reducere de 10,1 W economisește aproximativ 73 de dolari, în timp ce puterea de sarcină costă peste 7.300 de dolari.
Există o mulțime de costuri de administrare pentru achiziționarea și calificarea unei noi surse de alimentare, pe lângă costurile legate de eliminarea echipamentelor învechite. De asemenea, trebuie pus un preț pe riscurile asociate cu efectuarea schimbării. Este greu de crezut că o analiză ar putea demonstra că economisirea a 73 de dolari ar putea acoperi toate aceste costuri, cu excepția (posibil) a instalațiilor în care au fost folosite mii de astfel de surse de alimentare. “Eficiența de dragul eficienței” este rareori o strategie comercială solidă.
Ar trebui să ne îngrijorăm de căldură?
În ce măsură o companie trebuie să se gândească la căldura degajată de o sursă de alimentare depinde de sursa de energie electrică. Dacă este vorba de o energie provenită din combustibili fosili (de exemplu, cărbune, gaz), care este consumată de echipamentele finale și de sistemele HVAC, atunci va exista un impact asupra încălzirii globale și a poluării. Conform analizei, chiar și centralele nucleare “curate” împing căldura în aerul înconjurător, deoarece eficiența lor termică este, în general, de aproximativ 33%.
Îmbunătățirea eficienței este fără îndoială un lucru bun, dar chiar și în regiunile calde ale lumii, oamenii generează căldură folosind cazane, dușuri, băi, mașini de spălat, uscătoare și multe altele. Pare contraintuitiv faptul că proiectanții se străduiesc să economisească câteva zeci de wați în timp ce într-o clădire alăturată cineva utilizează un uscător de rufe de mai mulți kilowați ore în șir. Pentru a rezolva această anomalie, sistemele de cogenerare sau sistemele CHP (Combined Heat and Power) pot recolta și canaliza căldura industrială reziduală pentru o utilizare pozitivă în cadrul comunităților locale.
Un prim exemplu, în acest sens, a fost prima centrală electrică Pearl Street Station a lui Thomas Edison din 1882. Un principiu similar este utilizat în cadrul centrului de date construit de IBM la Universitatea Syracuse din New York și, chiar dacă nu este ceva obișnuit încă, principiile ar putea fi utilizate în industrie. Deoarece operatorii tind să migreze centrele de date în zone cu climă mai rece, unde aerul ambiant poate fi folosit pentru răcire, căldura (dacă este canalizată corect) poate fi foarte utilă – în special acolo unde energia electrică este ieftină din surse hidro sau geotermale (cum ar fi în Norvegia sau Islanda).
Impactul căldurii asupra fiabilității
Merită să se reducă pierderile din alimentarea cu energie electrică, deoarece acest lucru reduce temperaturile interne și îmbunătățește durata de viață și fiabilitatea preconizate. Totuși, acest lucru este relevant doar în cazul în care carcasa și sistemul de răcire rămân neschimbate. Diferite formule definesc că durata de viață a componentelor electronice se înjumătățește cu fiecare creștere a temperaturii mediului ambiant cu 10ºC. În plus, multe manuale de fiabilitate vă vor spune că rata de defectare a semiconductorilor crește cu aproximativ 25%, iar a capacitoarelor cu aproximativ 50% pentru aceeași creștere a temperaturii.
Tehnologia modernă este, în general, foarte fiabilă și durabilă. Chiar și cu aceste cifre, fiabilitatea rămâne ridicată – dar există un efect termic care trebuie recunoscut și înțeles. În general, industria va încerca să mențină o temperatură de intrare de aproximativ 21°C în centrele de date, dar cercetările efectuate de Intel și de alte companii au demonstrat că o creștere nu are un impact semnificativ asupra fiabilității sistemului. Un raport realizat de APC , care citează Societatea americană a inginerilor care se ocupă cu încălzirea și aerul condiționat (ASHRAE), prevede o creștere de doar 1,5 ori a ratei globale de defectare a echipamentelor pentru o creștere a temperaturii aerului din interior între 20 și 32°C (68-90°F) (Figura 3).
Figura 3: Cum influențează temperatura aerului din interior asupra fiabilității. (Sursa: Mouser Electronics)
Se spune că o creștere cu un grad Celsius a temperaturii în centrele de date reduce costurile de răcire asociate cu aproximativ 7%, permițând echipamentelor să funcționeze (ușor) la temperaturi mai ridicate, ceea ce poate reprezenta un beneficiu real pentru cheltuielile de exploatare.
Materialele WBG mai noi pot face față unor temperaturi de joncțiune mai ridicate decât cele ale produselor echivalente din siliciu, astfel încât acestea devin un factor care permite funcționarea echipamentelor (în special a surselor de alimentare de înaltă frecvență) la temperaturi ridicate.
Densitatea de putere este cea mai importantă
Eficiența poate fi adesea îmbunătățită prin încetinirea vitezelor de comutație, dar acest lucru implică componente pasive mai mari și convertoare de putere mai mari. Chiar dacă acest lucru va îmbunătăți fiabilitatea, deoarece temperatura este mai scăzută, el produce costuri legate de spațiu, ceea ce creează provocări la nivel de sistem.
Funcționarea la temperaturi mai ridicate permite inginerilor de sistem să includă mai multe funcționalități într-un anume cabinet, fie în centrele de date, fie în industrie, unde carcasele de dimensiuni standard sunt aproape întotdeauna pline de drivere de motoare și PLC-uri.
Noile convertoare de putere de înaltă performanță, cu factori de formă mai mici, pot elimina necesitatea unui dulap suplimentar, reducând costurile (și spațiul) prin utilizarea unuia existent. Deoarece spațiul este scump, economisirea acestuia reprezintă un câștig tangibil, mai ales dacă spațiul respectiv poate fi utilizat pentru echipamente generatoare de venituri.
Rezumat
Selectarea sursei de alimentare nu trebuie să se bazeze doar pe cifrele de eficiență. Factori precum eficiența sistemului sau a procesului, obligațiile de mediu și obiectivele financiare sunt considerații mai importante. În timp ce producătorii se străduiesc să îmbunătățească eficiența surselor de alimentare prin topologii și materiale avansate, utilizatorii finali acordă prioritate densității de putere în detrimentul eficienței, deoarece aceasta le permite să maximizeze echipamentele generatoare de venituri într-un spațiu limitat. Eficiența la sarcină redusă este critică, iar standardele din industrie, cum ar fi inițiativele 80 PLUS, abordează acest aspect. Atingerea unor niveluri mai ridicate de eficiență devine din ce în ce mai dificilă și mai costisitoare, cu randamente din ce în ce mai mici. Accentul pus pe eficiență ar trebui să fie echilibrat cu costul global, fiabilitatea și impactul asupra mediului, luând în considerare factori precum achiziția, înlocuirea și eliminarea echipamentelor, precum și gestionarea căldurii. Densitatea de putere joacă un rol semnificativ, permițând o funcționalitate mai mare într-un spațiu limitat și reducând costurile. Până la urmă, este necesară o abordare holistică care să ia în considerare diverși factori pentru a lua decizii informate privind alimentarea cu energie electrică.
Autor:
Mark Patrick
Mouser Electronics
Authorised Distributor
www.mouser.com
Urmărește-ne pe Twitter
