Pregătirea pentru inovațiile viitoare – Partea a 3-a: Proiect de referință pentru un modul quarter-brick de 2 kW

Dependența tot mai mare de inteligența artificială, învățarea automată și aplicațiile cloud a generat o cerere fără precedent pentru soluții compacte, eficiente și fiabile de conversie a puterii. Acest articol prezintă un proiect de referință pentru un convertor DC-DC de tip quarter-brick, destinat conversiei magistralei intermediare de 48V din centrele de date tradiționale și capabil să ofere performanțe superioare față de alternativele existente pe piață. Proiectul utilizează o soluție discretă Analog Devices, integrată într-o amprentă standard, oferind astfel o platformă competitivă și scalabilă pentru cerințele tot mai ridicate ale aplicațiilor de înaltă performanță, inclusiv ale sistemelor de calcul la scară foarte mare și ale aplicațiilor industriale.

Introducere

Proiectul de referință al modulului quarter-brick (QBM) este un convertor DC-DC de înaltă performanță, bazat pe arhitectura de sistem quarter-brick (QB) dezvoltată de Analog Devices, Inc. (ADI). Acesta încorporează o nouă serie de inductoare cuplate pentru a îndeplini cerințele stricte de dimensiuni impuse de standardele DOSA (Distributed-Power Open Standards Alliance – Alianța pentru Standarde Deschise de Putere Distribuită), oferind în același timp o putere continuă de 2 kW într-un pachet cu amprentă comună (CFP – Common Footprint Package). Prin această abordare de proiectare, soluția QBM reduce pierderile cumulative și pierderile tradiționale asociate unui convertor cu comutație dură, îmbunătățind eficiența operațională și oferind o soluție robustă pentru aplicații exigente.

Figura 1: Configurația pinilor proiectului de referință QBM. (Sursă: ADI)

Prin valorificarea celei mai recente tehnologii ADI de conversie a magistralei intermediare (IBC – Intermediate Bus Conversion) de la 48V/54V la 12V, proiectul de referință reduce complexitatea proiectării și permite clienților să accelereze ciclurile de dezvoltare. Datele cuprinzătoare prezentate în acest articol demonstrează îmbunătățiri măsurabile ale eficienței, performanței termice și scalabilității, poziționând această soluție ca modul de putere de nouă generație pentru mediile existente de centre de date cu cerințe ridicate de putere. În plus, arhitectura sa respectă cerințele actuale privind conversia IBC și oferă o cale de evoluție către viitoarele sisteme de înaltă tensiune, alimentate de la surse de 400V până la 800V.

Proiectarea modulului QBM

Proiectul de referință QBM respectă configurația mecanică standard a pinilor DOSA, utilizată frecvent pe piață, așa cum se observă în Figura 1, asigurând integrarea directă în plăcile de sistem existente. Atunci când funcționează ca modul independent, configurația pinilor poate fi simplificată pentru a include doar semnalele PMBus®. Configurația detaliată a pinilor este prezentată în Tabelul 1.

Tabelul 1. Configurația pinilor proiectului de referință pentru modulul quarter-brick de la ADI

Figura 2: Modulul QBM cu placă de bază plană și radiator extins disponibil comercial. (Sursă: ADI)

Proiectul de referință include o placă de bază plană pentru răcirea eficientă a FET-urilor convertorului de putere, așa cum se arată în Figura 2. Această placă de bază este proiectată pentru o gestionare termică optimă și permite furnizarea unei puteri mai mari atunci când este combinată cu un radiator QB disponibil comercial.

Proiectul de referință QBM poate fi configurat cu ajutorul software-ului ADI LTpowerPlay^®, împreună cu dongle-ul DC1613. Acest instrument permite utilizatorilor să seteze parametrii tipici de funcționare, să definească nivelurile de declanșare a erorilor și răspunsurile corespunzătoare, precum și să înregistreze ciclurile de funcționare pentru monitorizare și control detaliat. Figura 3 prezintă interfața QBM în LTpowerPlay.

Performanță electrică

Figura 3: Interfața grafică LTpowerPlay pentru configurarea și ajustarea diverșilor parametri ai modulului QBM. (Sursă: ADI)

Această secțiune evidențiază indicatorii-cheie de performanță electrică ce demonstrează capabilitățile superioare ale proiectului de referință QBM de la ADI, în comparație cu modulele QBM disponibile pe piață. Cel mai important criteriu de evaluare este eficiența, împreună cu pierderile de putere asociate. Pentru o evaluare precisă, măsurătorile de eficiență sunt efectuate înaintea terminalelor, asigurând astfel evaluarea exclusivă a performanței convertorului DC-DC. Această abordare permite inginerilor să proiecteze terminale personalizate pentru a optimiza suplimentar sistemul în ansamblu. Figura 4 prezintă curba de eficiență pentru funcționarea la tensiuni de intrare cuprinse între 48V și 60V.

Acest QBM este proiectat pentru a atinge o eficiență excepțională, de peste 97% la sarcină maximă, cu o valoare de vârf de 98%. O astfel de performanță reduce semnificativ pierderile de putere și îmbunătățește managementul termic, minimizând cerințele de răcire în exploatarea centrelor de date. În plus, proiectul este optimizat pentru funcționarea la 50V, ceea ce îl poziționează ca un convertor în aval ideal pentru viitoarele arhitecturi de centre de date de înaltă tensiune (HV), inclusiv pentru sistemele de 800V care utilizează un raport de conversie de 16:1.

Performanță termică

Figura 4: Graficul eficienței QBM pentru VIN de la 48V la 60V. (Sursă: ADI)

Performanța termică este un indicator critic pentru soluțiile cu densitate mare de putere. Deși convertorul poate susține, din punct de vedere tehnic, puteri mari la ieșire, capabilitatea sa este, în cele din urmă, limitată de proiectarea termică în volumul disponibil. Proiectul de referință QBM demonstrează că, inclusiv în medii cu spațiu limitat, poate furniza puterea nominală de ieșire fără declanșarea unei opriri cauzate de supraîncălzire.

Imaginile termice pentru funcționarea la 48V și, respectiv, la 54V sunt prezentate în figurile 5 și 6. Rezultatele indică o distribuție uniformă a temperaturii pe întreaga suprafață plană a plăcii de bază, fără radiatorul extins, cu o abatere minimă față de punctul cel mai fierbinte. Acest lucru demonstrează că poziționarea corectă a componentelor critice, împreună cu proiectarea eficientă a traseelor și suprafețelor de cupru, reduce concentrările termice și asigură funcționarea fiabilă fără limitări termice.

Figura 5: Imagine termică pentru 48 VIN, la o temperatură ambiantă de 25°C. (Sursă: ADI)

Răspuns la condiții de eroare

Proiectul de referință QBM integrează circuitul LTC2971 ca manager de sistem de alimentare, compatibil cu standardul PMBus Nivel 1. Acest controler monitorizează parametri-cheie precum tensiunea, curentul și temperatura și inițiază răspunsurile corespunzătoare la condițiile de eroare. Utilizatorii pot configura modulul fie pentru oprire cu blocare, fie pentru reluarea funcționării după anumite condiții de eroare, oferind astfel flexibilitate și o protecție robustă a sistemului.

Figura 7 prezintă un test de protecție la supratemperatură (OTP). QBM este configurat să se oprească la 75°C, iar timpul de recuperare după declanșare este de 5 secunde. Graficul LTpowerPlay din Figura 8 arată, de asemenea, că modulul QBM se oprește în momentul în care temperatura ajunge la 75°C.

Figura 6: Imagine termică pentru 54 VIN, la o temperatură ambiantă de 25°C. (Sursă: ADI)

Această setare poate fi configurată prin intermediul interfeței grafice LTpowerPlay. În aplicațiile reale, QBM este configurat să suporte temperaturi de până la 90°C înainte de declanșarea pragului OTP.

Funcționare în paralel

O altă caracteristică importantă a proiectului de referință QBM este capacitatea sa de a funcționa în paralel pentru a răspunde unor cerințe de putere mai ridicate. Soluția permite conectarea în paralel a până la nouă module, limitarea fiind dată doar de schema de adresare a circuitului LTC2971, prezentată în Figura 9.

Figura 7: QBM se oprește timp de 5 secunde după atingerea pragului OTP. (Sursă: ADI)

Pentru această evaluare, fluxul de aer este orientat din partea dreaptă a imaginii spre partea stângă. Configurația de test este evaluată și fără placa de bază, pentru a identifica punctele fierbinți ale fiecărei etape de putere din interiorul modulului, așa cum se observă în Figura 10.

Partajarea curentului între module

Principalul indicator de performanță pentru funcționarea în paralel este diferența de curent dintre module. Figura 11 prezintă valorile măsurate pentru două module care funcționează la o putere combinată de 4 kW. Cu cât diferența de curent este mai mică, cu atât partajarea curentului între module este mai bună. Acest aspect este important și pentru a asigura funcționarea modulelor în condiții termice similare, maximizând astfel capacitatea ambelor module de a gestiona puterea de ieșire. Figura 12 prezintă performanța acestei configurații din punctul de vedere al diferenței de curent.

Figura 8: Graficul LTpowerPlay indică faptul că QBM atinge pragul OTP și se oprește imediat. (Sursă: ADI)

Imaginea termică prezentată în Figura 13 ilustrează două module care funcționează la 4 kW fără placă de bază. Performanța termică evidențiază un profil similar pe întreaga suprafață, cu diferențe de temperatură reduse, de ordinul câtorva grade, între zonele analizate.

Pe baza indicatorilor-cheie de performanță prezentați, proiectul de referință QBM de la ADI oferă o soluție simplă, robustă și extrem de competitivă pentru clienții care urmăresc performanțe de vârf în aplicații IBC de mare putere, într-un pachet cu amprentă comună (CFP).

Concluzie

Centrele de date tradiționale se confruntă cu provocări tot mai mari în satisfacerea cererii crescânde de calcul de înaltă performanță, determinată de progresele rapide din domeniul inteligenței artificiale și al învățării automate. În prezent, arhitecturile centrelor de date adoptă soluții cu densitate de putere mai mare la nivel de sistem, utilizând tensiuni de magistrală de 48V și 54V pentru a reduce semnificativ pierderile de putere în comparație cu sistemele tradiționale de 12V.

O componentă esențială în această tranziție este conversia magistralei intermediare, în special prin utilizarea surselor de alimentare de tip quarter-brick. Aceste convertoare DC-DC compacte și eficiente joacă un rol crucial în transformarea tensiunii continue de intrare, de nivel mai ridicat, în tensiuni mai mici, necesare procesoarelor și sistemelor periferice.

Figura 9: Schema de adresare a LTC2971 utilizată în QBM. (Sursă: ADI)

Odată cu dezvoltarea rapidă a inteligenței artificiale, poate arhitectura de 48V/54V să continue să răspundă cerințelor tot mai mari de putere ale pieței? Cele mai noi soluții ADI sunt dezvoltate pentru a răspunde acestei întrebări esențiale.

Autori:
Karl Audison Cabas, Product Applications Development Engineer
Christian Cruz, Staff Applications Engineer
Analog Devices

Referințe

Figura 10: Configurația de test a două module QBM care funcționează în paralel. (Sursă: ADI)

Ben-Yaakov, Sam and Michael Evzelman. “Generic and Unified Model of Switched Capacitor Converters.” 2009 IEEE Energy Conversion Congress and Exposition, 2009.

Cruz, Christian. “The Power of 48 V: Relevance, Benefits, and Essentials in System-Level Applications.” Analog Dialogue, Vol. 58, July 2024.

Evzelman, Michael and Shmuel Ben-Yaakov. “Average-Current-Based Conduction Losses Model of Switched Capacitor Converters.” IEEE Transactions on Power Electronics, Vol. 28, No. 7, October 2012.

Ikriannikov, Alexandr and Laszlo Lipcsei. “Greatly Increase the Efficiency of the Regulated 48 V to 12 V First Stage.” Analog Devices, Inc., October 2023.

Webb, Samuel and Liu, Yan-Fei. “A Novel Intermediate Bus Converter Topology for Cutting Edge Data Center Applications.” Chinese Journal of Electrical Engineering, Vol. 6, No. 4, December 2020.

“The Benefits of the Coupled Inductor Technology.” Analog Devices, Inc., March 2015.

Despre autori

Karl Audison Cabas este inginer de aplicații specializat în soluții de alimentare la Analog Devices din septembrie 2020. Deține o diplomă de licență în inginerie electronică de la Universitatea Politehnică din Filipine și o diplomă postuniversitară în electronică de putere de la Universitatea Mapúa. Are peste patru ani de experiență în domeniul convertoarelor de putere DC-DC. Rolul său anterior a implicat soluționarea solicitărilor clienților și a problemelor de proiectare legate de convertoarele DC-DC. În prezent, lucrează ca inginer de aplicații pentru sisteme de alimentare destinate aplicațiilor cloud și centrelor de date.

Figura 11: Două module QBM care funcționează la 4 kW, cu o diferență de curent de 4 A. (Sursă: ADI)

Christian Cruz este inginer de dezvoltare a aplicațiilor la Analog Devices, Inc., în Filipine. Deține o diplomă de licență în inginerie electronică de la University of the East din Manila, Filipine. Are peste 12 ani de experiență în inginerie, în domenii precum proiectarea analogică și digitală, proiectarea firmware-ului și electronica de putere. Experiența sa include dezvoltarea circuitelor integrate pentru managementul alimentării, precum și conversia de putere AC-DC și DC-DC. S-a alăturat ADI în 2020 și oferă în prezent suport pentru cerințele de management al alimentării în aplicații de calcul în cloud și comunicații de sistem.

Glosar de termeni

Arhitectură și format de modul

Figura 12: Reprezentarea grafică a diferenței de curent dintre două module în diferite condiții de sarcină. (Sursă: ADI)

QBM – Quarter-Brick Module
Modul de putere în format quarter-brick, utilizat pentru conversia DC-DC în aplicații cu densitate mare de putere.

Quarter-brick
Format mecanic standardizat pentru module de putere DC-DC compacte, folosit frecvent în arhitecturi de alimentare distribuită.

Figura 13: Imagini termice ale două module QBM care funcționează în paralel. (Sursă: ADI)

DOSA – Distributed-Power Open Standards Alliance
Alianță pentru standarde deschise de putere distribuită. În articol, termenul este asociat cu cerințele mecanice stricte ale formatului quarter-brick.

CFP – Common Footprint Package
Pachet cu amprentă comună, care permite integrarea modulului într-o configurație mecanică standardizată.

Conversie de putere și control

IBC – Intermediate Bus Conversion
Conversia magistralei intermediare. În articol, se referă la conversia de la 48V/54V la 12V în arhitecturi de alimentare pentru centre de date.

Convertor DC-DC
Circuit sau modul care transformă o tensiune continuă de intrare într-o altă tensiune continuă, necesară alimentării sarcinilor din sistem.

PMBus®
Interfață digitală de comunicație utilizată pentru configurarea, monitorizarea și controlul surselor de alimentare.

LTC2971
Controler de gestionare a sistemului de alimentare utilizat în proiectul de referință QBM pentru monitorizarea parametrilor precum tensiunea, curentul și temperatura.

Power Good / PG
Semnal de stare utilizat pentru indicarea funcționării corecte a alimentării, conform configurației definite în proiect.

Performanță, protecție și funcționare

OTP – Overtemperature Protection
Protecție la supratemperatură. Modulul se oprește atunci când temperatura atinge pragul configurat.

Soft-start
Pornire graduală a convertorului, pentru limitarea solicitărilor electrice în momentul inițializării.

Partajarea curentului
Distribuirea curentului între mai multe module conectate în paralel, pentru a susține puteri de ieșire mai mari.

Placă de bază
Element mecanic utilizat pentru susținerea modulului și pentru transferul termic eficient către soluția de răcire.

Raport de conversie 16:1
Raport dintre tensiunea de intrare și tensiunea de ieșire, menționat în contextul viitoarelor arhitecturi de centre de date de înaltă tensiune.

Analog Devices

Vizitați https://ez.analog.com