Convertorul de magistrală intermediară
Convertirea tensiunii de 54 V într-o tensiune adecvată de 12 V reprezintă o sarcină dificilă, care necesită o nouă topologie de convertor pentru dezvoltarea unei surse de alimentare îmbunătățite și de înaltă performanță. În plus, aceasta trebuie să aibă dimensiuni reduse pentru a se integra în cele mai noi centre de date și arhitecturi hyperscale, ceea ce face ca factorul de formă compact, de tip sfert de cărămidă, să fie extrem de atractiv.
Acest articol analizează modul în care un proiect de referință de la Analog Devices se remarcă prin abordarea unor aspecte esențiale, precum eficiența, pierderile de putere, disiparea termică și compatibilitatea cu o amprentă standardizată. De asemenea, articolul discută modul în care aceste beneficii și avantaje pot influența aplicațiile la nivel de sistem.
Introducere
În lumea contemporană a informațiilor digitale și a conectivității sociale permanente, existența unor centre de date bine proiectate și eficiente este esențială. Aceste centre de date asigură rețeaua, stocarea și conectivitatea globală pe care ne bazăm zi de zi. Menținerea funcționării lor fără întreruperi este crucială pentru a evita indisponibilitatea serviciilor și compromiterea datelor.
Cu toate acestea, centrele de date mai vechi se confruntă cu dificultăți, deoarece funcționează aproape de limitele lor, în contextul cererii tot mai mari de putere de calcul, iar gradul lor de utilizare crește rapid de la an la an. De exemplu, utilizarea inteligenței artificiale prin modele lingvistice de mari dimensiuni, măsurată prin numărul de utilizatori activi săptămânal, s-a dublat în mai puțin de un an. Acest lucru a dus la o nevoie tot mai mare de densitate de putere, ceea ce impune utilizarea unor convertoare de putere mai robuste și de înaltă performanță.
De ce arhitectura de 48 V devine esențială
Pe măsură ce centrele de date se extind pentru a susține servere, echipamente de rețea și sisteme de stocare mai puternice, necesarul de energie crește, ceea ce presupune mai multe etape de conversie a puterii, de la rețeaua de transport a energiei până la nivelul de tensiune continuă utilizabil în interiorul rack-ului. Arhitectura tradițională din centrele de date convertește tensiunea alternativă rectificată la 12 V DC, aceasta devenind sursa principală de alimentare pe plăcile de bază.
Totuși, arhitectura de 12 V DC devine ineficientă pentru distribuția principală a energiei la nivelul plăcii. Creșterea tensiunii de intrare la 48 V permite reducerea de până la 16 ori a pierderilor I²R pe placa de circuit imprimat, cu pierderi de conversie considerabil mai mici, menținându-se în același timp în limitele nivelului SELV – Safety Extra Low Voltage, adică tensiune extra-joasă de siguranță.
Convertorul de magistrală intermediară în arhitectura de alimentare
Prin urmare, un convertor de magistrală intermediară reprezintă o componentă esențială în arhitecturile moderne de alimentare ale centrelor de date. Acesta transformă magistrala de 48 V provenită de la sursa principală de alimentare, cum ar fi o sursă de alimentare neîntreruptibilă (UPS), într-o tensiune de magistrală intermediară utilizată în arhitecturile existente – de exemplu, 5 V sau 12 V – și, mai departe, în tensiunile necesare regulatoarelor POL (Point-of-Load). Această sursă de alimentare poartă denumirea de convertor de magistrală intermediară (IBC – Intermediate Bus Converter). IBC-urile sunt disponibile în diferite niveluri de putere și dimensiuni, un format frecvent întâlnit fiind modulul de alimentare “quarter-brick” (QB – Quarter Brick).
Modulul “quarter-brick”: format compact pentru putere ridicată
Un modul de alimentare “quarter-brick” (QB PS – Quarter-Brick Power Supply) este un modul convertor DC-DC compact și eficient, care joacă un rol esențial în sistemele moderne de alimentare. Acesta preia o tensiune DC de intrare mai ridicată și o convertește într-o tensiune mai mică, adecvată pentru alimentarea unei varietăți de periferice și procesoare centrale aflate pe placa de bază. Termenul “quarter-brick” se referă la factorul său de formă compact, dreptunghiular. Aceste module de alimentare ocupă, de obicei, aproximativ 58,4 mm × 36,8 mm (2,3 inch × 1,45 inch) pe o placă de circuit imprimat (PCB), având o înălțime de aproximativ 14,5 mm (0,57 inch). În ciuda dimensiunilor reduse, un modul QB este foarte eficient și poate fi integrat cu ușurință în sistemele de alimentare existente.
Domenii de utilizare și intervale de funcționare
Aceste module de alimentare sunt utilizate pe scară largă în centrele de date, unde dimensiunile compacte și eficiența ridicată le fac potrivite pentru rack-uri de servere, switch-uri de rețea, sisteme de ventilație, redresoare și baterii de rezervă. Versatilitatea și fiabilitatea lor le transformă într-o soluție de referință pentru cerințele de alimentare ale infrastructurilor electronice moderne.
De obicei, aceste module funcționează cu intervale ale tensiunii de intrare cuprinse între 40 V și 60 V, deși există și variante pentru alte tensiuni de intrare. Ele utilizează o tehnică de comutație pentru a regla și converti eficient tensiunea de intrare într-o tensiune de ieșire mai mică și stabilă, de regulă între 9 V și 16 V. Tensiunea de ieșire poate varia în funcție de cerințele specifice ale aplicației.
Caracteristicile principale ale modulelor de alimentare de tip “quarter-brick” includ, de obicei:
Eficiență ridicată
Aceste module de alimentare sunt proiectate pentru a maximiza eficiența conversiei. Pierderile de conversie ar trebui să fie mai mici decât pierderile I²R pe care le-ar genera o arhitectură tradițională de 12 V DC.
Gamă largă a tensiunii de intrare
Aceste module pot accepta o gamă largă de tensiuni de intrare, ceea ce le face compatibile cu diverse surse de alimentare. O gamă nominală tipică a tensiunii de intrare este cuprinsă între 48 V DC și 54 V DC, cu o gamă extinsă de la 40 V DC la 60 V DC.
Mecanisme de protecție
Acestea încorporează funcții de protecție, precum protecția la supratensiune, protecția la supracurent, protecția la scurtcircuit și oprirea termică, pentru a proteja sursa de alimentare și dispozitivele conectate.
Management termic
Disiparea eficientă a căldurii este esențială pentru o funcționare fiabilă. Modulele de alimentare QB includ adesea caracteristici de management termic, precum radiatoare sau ventilatoare integrate, pentru reglarea temperaturii.
Detecție la distanță
Unele modele oferă funcția de detecție la distanță, care compensează căderile de tensiune de-a lungul cablurilor de ieșire, asigurând o reglare precisă a tensiunii la nivelul sarcinii.
PMBus® și funcții avansate de control
Multe module de alimentare QB oferă funcții avansate de control, precum ajustarea tensiunii, comanda de pornire/oprire de la distanță și sincronizarea cu alte module de alimentare.
Scalabilitate
Modulul de alimentare QB ar trebui să fie ușor scalabil, cu ajustări minime ale circuitului, să poată fi configurat pentru funcționare în paralel, în funcție de cerințele de putere și să poată gestiona pornirea cu polarizare prealabilă, pentru a permite înlocuirea la cald – hot swap.
Atunci când se selectează un modul de alimentare QB, este esențial să fie luați în considerare factori precum cerințele privind tensiunea de intrare și de ieșire, curentul de sarcină, eficiența, intervalul temperaturii de funcționare și certificările sau standardele specifice industriei vizate. Aceste caracteristici sunt disponibile într-un proiect de referință QB, adecvat aplicațiilor exigente care necesită o alimentare stabilă și eficientă.
Figura 1: Schema bloc a modulului de alimentare de tip “quarter-brick” de la ADI. (Sursă: ADI)
Componentele cheie ale unui modul de alimentare de tip QB includ un filtru de intrare, un filtru de ieșire, circuite de control cu buclă de reacție și mecanisme de protecție, care pot fi integrate în controler sau în circuite integrate de management al alimentării / energiei (PMIC – Power Management ICs). A se vedea figura 1.
Avantajele unui modul de alimentare QB
Dimensiuni compacte
Unul dintre principalele avantaje ale unui modul de alimentare QB este formatul său compact, care permite utilizarea eficientă a spațiului în aplicațiile în care dimensiunile reprezintă o constrângere importantă.
Densitate mare de putere
În ciuda dimensiunilor reduse, modulele de alimentare QB oferă o densitate mare de putere, ceea ce le permite să furnizeze puteri de ieșire semnificative.
Eficiență
Datorită progreselor înregistrate în tehnologiile de conversie a energiei, modulele de alimentare QB ating niveluri ridicate de eficiență, reducând pierderile de energie și minimizând disiparea căldurii.
Management termic
Modulele de alimentare QB includ adesea caracteristici de management termic, precum o placă de bază plată, care poate fi completată cu un radiator pentru a asigura funcționarea optimă și fiabilitatea în medii termice dificile.
Fiabilitate și durabilitate
Aceste module de alimentare sunt proiectate pentru a respecta standardele stricte ale industriei, asigurând fiabilitate și durabilitate pe termen lung, chiar și în condiții dificile de funcționare.
Reziliența sursei de alimentare
Pinii modulelor de alimentare QB sunt compatibili între diferiți producători datorită formatului comun CFP (Common Footprint Package). Această compatibilitate contribuie la reziliența lanțului de aprovizionare în producție și facilitează asistența post-vânzare în cazul defecțiunilor apărute în teren.
Caracteristici cheie ale modulului de alimentare QB
Interval larg al tensiunii de intrare
Modulele de alimentare QB acceptă, de obicei, un interval larg al tensiunii de intrare, ceea ce le asigură compatibilitatea cu diverse surse de alimentare.
Reglarea tensiunii de ieșire
Aceste module asigură o reglare precisă și stabilă a tensiunii de ieșire, garantând performanțe constante în diferite condiții de sarcină.
Densitate mare de putere
Designul de tip sfert de cărămidă (quarter-brick) poate furniza până la 2 kW la o tensiune de ieșire reglată de 12,2 V, comparativ cu o sursă de alimentare standard de același tip.
Scalabilitate
Figura 2: Modulul de alimentare QB poate fi conectat în paralel prin legarea pinilor SS și ISHARE. (Sursă: ADI)
Topologia utilizează un mod de control în curent și poate fi ușor conectată în paralel prin legarea pinului de pornire lentă (soft start) și a pinului ISHARE. Acest lucru reduce complexitatea funcționării în paralel. Figura 2 prezintă un exemplu al modului în care fiecare modul QB poate fi conectat în paralel.
Mecanisme de protecție
Modulele de alimentare QB încorporează funcții de protecție, precum protecția la supratensiune (OVP – Overvoltage Protection), protecția la supracurent (OCP – Overcurrent Protection), protecția la scurtcircuit (SCP – Short-Circuit Protection) și oprirea termică, pentru a proteja împotriva defecțiunilor electrice și a preveni deteriorarea dispozitivelor conectate.
Inductoare cuplate în convertoarele cu magistrală intermediară
Figura 3: Riplul normalizat al curentului în funcție de ciclul de lucru, pentru un coeficient de cuplare dat, Lm/Lk. (Sursă: ADI)
Inductoarele cuplate reprezintă o altă tehnologie foarte potrivită pentru integrarea unui modul de alimentare de tip “quarter-brick” în aplicațiile cu magistrală intermediară, datorită raportului întreg de conversie. O conversie de la 48 V la 12 V corespunde unui ciclu de lucru de 50%, ceea ce face ca secțiunea buck să funcționeze avantajos într-un design bifazic cu inductor cuplat. Chiar și pentru un interval mai larg al tensiunii de intrare, de la 40 V la 60 V (tipic), utilizarea unui inductor cuplat rămâne avantajoasă în comparație cu un inductor discret (DL). Figura 3 prezintă comparația dintre riplul normalizat al curentului pentru un inductor discret și cel pentru un inductor cuplat, în condiții de defazaj diferite.
Reducerea riplului de curent prin alegerea numărului de faze
După cum se observă în figura 3, riplul de curent este minimizat la un ciclu de lucru de 50% într-un design bifazic cu inductor cuplat. Trebuie remarcat faptul că avantajul inductoarelor cuplate nu este același pentru toate ciclurile de lucru. Configurațiile cu număr diferit de faze au puncte diferite de minimizare a riplului de curent. Prin urmare, este important să fie luate în considerare intervalul tensiunii de intrare și tensiunea de ieșire țintă ale proiectului de tip “quarter-brick”.
Figura 4: Inductor cuplat cu 4 faze, care poate fi utilizat pentru conversia de la 48 V la 12 V într-un convertor DC-DC cu 4 faze. (Sursă: ADI)
De exemplu, un convertor buck cu un raport de reducere de 4:1 ar trebui să utilizeze un design cu 4 faze pentru a maximiza reducerea riplului de curent al inductorului cuplat. Figura 4 prezintă un exemplu de inductor cuplat cu 4 faze.
Cel mai important efect al utilizării unui inductor cuplat într-un design de tip “quarter-brick” este reducerea semnificativă a dimensiunii componentelor magnetice, aspect esențial pentru încadrarea în dimensiunile PCB-ului specifice formatului “quarter-brick”. Utilizarea unui inductor cuplat permite furnizarea unei puteri ridicate la ieșire, menținând în același timp un randament competitiv.
Aplicații ale modulelor de alimentare de tip “quarter-brick”
Figura 5: Proiectul de referință „quarter-brick” de la ADI, realizat cu componente discrete. Sursă: ADI)
Cunoscute în limba română și ca module de tip “sfert de cărămidă”, modulele de alimentare QB sunt utilizate în numeroase industrii și sectoare, printre care:
- În domeniul telecomunicațiilor, acestea sunt utilizate frecvent în infrastructura de telecomunicații, centre de date și echipamente de rețea, pentru alimentarea sistemelor de comunicații și a switch-urilor de rețea.
- Modulele de alimentare QB sunt potrivite și pentru aplicații de automatizare industrială, precum acționări de motoare, robotică și sisteme de control.
- Utilizarea unui modul de alimentare “quarter-brick” este potrivită pentru diferite rapoarte de reducere a tensiunii de ieșire. Proiectul de referință “quarter-brick” de la ADI, realizat cu componente discrete, include pe PCB zone de montare pentru mai multe configurații de inductoare cuplate, ceea ce permite evaluarea a până la două niveluri diferite ale tensiunii de ieșire sau conectarea în paralel pentru testarea unor cerințe mai mari ale curentului de ieșire. Figura 5 prezintă secțiunea “quarter-brick”.
Concluzie
Centrele de date mai vechi se confruntă cu dificultăți în satisfacerea cererii tot mai mari de putere de calcul, în special pe fondul dezvoltării rapide a aplicațiilor de inteligență artificială. Pentru a răspunde acestor provocări, centrele de date moderne adoptă arhitecturi cu densitate de putere mai mare, precum arhitectura de 48 V, care reduce semnificativ pierderile de putere în comparație cu arhitectura tradițională de 12 V.
O componentă cheie în această tranziție este convertorul de magistrală intermediară, în special modulul de alimentare de tip “quarter-brick”. Aceste convertoare DC-DC compacte și eficiente sunt esențiale pentru conversia tensiunii DC de intrare, mai ridicată, în tensiuni mai mici, necesare diferitelor periferice și procesoare aflate pe placa de bază.
Modulele de alimentare QB oferă o soluție de alimentare simplificată și de înaltă performanță, potrivită pentru diverse aplicații. Datorită formatului compact, eficienței ridicate și fiabilității pe termen lung, aceste module oferă o densitate mare de putere, reglare precisă a tensiunii și funcții avansate de protecție, ceea ce le transformă într-o componentă importantă pentru numeroase industrii. Ele sunt proiectate pentru a maximiza utilizarea spațiului, pentru a asigura o funcționare fiabilă și pentru a răspunde cerințelor de alimentare ale infrastructurilor electronice moderne.
Modulul de alimentare de tip “sfert de cărămidă” (quarter-brick) de la Analog Devices aduce avantaje importante pentru alimentarea centrelor de date, combinând eficiența ridicată, performanța robustă și funcțiile avansate de control. Fiabilitatea sporită și reducerea costurilor operaționale îl recomandă ca soluție eficientă pentru managementul energiei în centrele de date.
Următoarea parte a acestei serii va aborda evaluarea detaliată a modulului de alimentare de tip “quarter-brick”, precum și datele colectate pentru determinarea performanțelor electrice și termice și pentru alegerea corespunzătoare a componentelor în aplicații de mare putere.
Autori:
Karl Audison Cabas, Applications Engineer și
Christian Cruz, Staff Applications Engineer
Analog Devices
Vizitați https://ez.analog.com
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 rezolvarea 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.
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 de management al alimentării / energiei, 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 destinate aplicațiilor de calcul în cloud și comunicațiilor de sistem.
Referințe
Ben-Yaakov, Sam and Michael Evzelman. “Generic and Unified Model of Switched Capacitor Converters.” 2009 IEEE Energy Conversion Congress and Exposition, September 2009.
Cruz, Christian. “The Power of 48 V: Relevance, Benefits, and Essentials in System-Level Applications.” Analog Dialogue, 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.
Haug, Bruce. “72 V Hybrid DC-to-DC Converter Reduces Intermediate Bus Converter Size by up to 50%.” Analog Dialogue, February 2018.
Ikriannikov, Alexandr. “The Benefits of the Coupled Inductor Technology.” Maxim Integrated, March 2015.
Ikriannikov, Alexandr and Laszlo Lapcsei. “Greatly Increase the Efficiency of the Regulated 48 V to 12 V First Stage.” Analog Devices, Inc., December 2023.
“OpenAI says ChatGPT’s Weekly Users Have Grown to 200 Million.” Reuters, August 2024.
Webb, Samuel and Yan-Fei Liu. “A Novel Intermediate Bus Converter Topology for Cutting Edge Data Center Applications.” Chinese Journal of Electrical Engineering, Vol. 6, No. 4, December 2020.
Glosar de termeni
• Arhitecturi de alimentare și conversie
Convertor de magistrală intermediară (IBC – Intermediate Bus Converter) – Convertor DC-DC utilizat pentru a transforma o magistrală de tensiune mai ridicată, de exemplu 48 V, într-o tensiune intermediară mai mică, cum ar fi 12 V, care poate fi distribuită ulterior către regulatoare POL sau către alte circuite de alimentare locale.
Modul de alimentare „quarter-brick” (QB – Quarter Brick) – Format compact de modul DC-DC, utilizat frecvent în aplicații de telecomunicații, centre de date și infrastructuri electronice de mare putere. Denumirea „quarter-brick” se referă la factorul de formă standardizat al modulului.
Magistrală de 48 V – Arhitectură de distribuție a energiei utilizată în centrele de date moderne pentru reducerea pierderilor pe placa de circuit imprimat și pentru creșterea eficienței în comparație cu arhitecturile tradiționale de 12 V.
Arhitectură de 12 V DC – Arhitectură tradițională de alimentare utilizată în servere și echipamente electronice, în care tensiunea principală distribuită pe placă este de 12 V DC. În aplicațiile moderne cu densitate mare de putere, aceasta poate deveni mai puțin eficientă.
Convertor buck – Convertor DC-DC coborâtor, utilizat pentru a transforma o tensiune de intrare mai mare într-o tensiune de ieșire mai mică.
• Termeni de putere, control și protecție
Pierderi I²R – Pierderi de putere generate de trecerea curentului printr-o rezistență. Acestea cresc proporțional cu pătratul curentului, motiv pentru care distribuția energiei la tensiuni mai ridicate și curenți mai mici poate reduce pierderile.
SELV – Safety Extra Low Voltage – Nivel de tensiune extra-joasă de siguranță, utilizat pentru a defini domenii de tensiune considerate mai sigure din punct de vedere electric. În articol, arhitectura de 48 V este prezentată ca rămânând în limitele SELV.
Regulator POL – Point-of-Load – Regulator de tensiune amplasat aproape de sarcina alimentată, de exemplu un procesor, FPGA, ASIC sau circuit de memorie. Rolul său este să furnizeze local tensiunea exactă necesară componentei respective.
PMIC – Power Management IC – Circuit integrat de management al alimentării / energiei, utilizat pentru controlul, monitorizarea și protecția funcțiilor de alimentare dintr-un sistem electronic.
Funcționare în paralel – Configurare în care mai multe module de alimentare sunt conectate în paralel pentru a furniza un curent mai mare, pentru a crește puterea disponibilă sau pentru a asigura redundanță.
• Componente, integrare și funcționare în sistem
Prebiased startup / pornire cu polarizare prealabilă – Capacitatea unui convertor de a porni corect atunci când la ieșire există deja o tensiune prezentă. Este importantă în sisteme complexe de alimentare și în aplicații care permit înlocuirea la cald.
Hot swap / înlocuire la cald – Posibilitatea de a introduce sau înlocui un modul într-un sistem aflat în funcțiune, fără oprirea completă a echipamentului.
Inductor cuplat – Componentă magnetică în care două sau mai multe înfășurări sunt cuplate magnetic. În convertoarele multiphase, inductoarele cuplate pot reduce riplul de curent și dimensiunea componentelor magnetice.
Riplu de curent – Variația periodică a curentului într-un convertor în comutație. Reducerea riplului de curent contribuie la îmbunătățirea eficienței, la reducerea solicitării componentelor și la optimizarea performanței sistemului.
Raport de reducere 4:1 – Raport între tensiunea de intrare și tensiunea de ieșire într-un convertor coborâtor. De exemplu, conversia de la 48 V la 12 V corespunde unui raport de reducere de 4:1.
CFP – Common Footprint Package – Format comun al amprentei și al pinilor, care permite compatibilitatea între module similare de la producători diferiți. Această compatibilitate poate contribui la flexibilitatea lanțului de aprovizionare și la simplificarea înlocuirii modulelor.