O sursă de alimentare de tip quarter-brick (sfert de cărămidă) este o componentă esențială în aplicațiile pentru centrele de date, odată cu apariția arhitecturii de 48 V. Aceasta trebuie să ofere performanțe ridicate în ceea ce privește eficiența și răspunsul la regimuri tranzitorii, menținându-și în același timp dimensiunile în cadrul factorului de formă quarter-brick.
Sursa de alimentare quarter-brick demonstrează că atât cerințele de eficiență, cât și cele de răspuns tranzitoriu pot fi îndeplinite în condițiile unor constrângeri stricte de factor de formă, oferind în același timp o putere de ieșire de 2 kW, de top în industrie. Proiectul de referință prezintă o eficiență maximă de 98,59% la o tensiune de intrare de 48 V și o eficiență de 97,68% la sarcină maximă, pentru o tensiune de intrare de 54 V.
Introducere
Odată cu dezvoltarea unor nuclee de procesor mai puternice și cu utilizarea tot mai frecventă a cipurilor cu inteligență artificială (AI) în centrele de date, cerințele de alimentare pentru dispozitivele de generație următoare sunt mai ridicate decât cele ale modelelor anterioare. Aceste dispozitive trebuie să își mențină factorul de formă, pentru a minimiza costurile inițiale de migrare. Prin urmare, este necesară o sursă de alimentare cu performanțe mai bune, dar cu aceleași dimensiuni, capabilă să furnizeze cipurilor de generație următoare puterea necesară.
Acesta este motivul pentru care utilizarea unei surse de alimentare standardizate de tip quarter-brick este avantajoasă pentru proiectarea sistemului. O asemenea sursă reduce complexitatea proiectării datorită caracterului său de soluție gata de utilizare și compatibilității între diferiți furnizori.
Cu toate acestea, sursele de alimentare quarter-brick nu au aceeași topologie și nici aceeași performanță, astfel încât inginerii trebuie să aleagă cu atenție soluția potrivită, în funcție de cerințele aplicației. Tensiunile de intrare de operare, reglarea tensiunii de ieșire, eficiența maximă și eficiența la sarcină maximă, răspunsul tranzitoriu, performanța termică și scalabilitatea sunt câțiva dintre parametrii cheie pe care inginerii trebuie să îi ia în considerare atunci când proiectează un sistem cu o sursă de alimentare quarter-brick.
Articolul prezintă performanța unei surse de alimentare discrete de tip quarter-brick și modul în care aceasta îndeplinește cerința unei puteri de ieșire mai ridicate, menținând în același timp o eficiență foarte mare.
Date și rezultate
Rezultatele testelor de mai jos includ măsurători ale performanței la pornire și în regim staționar, forme de undă aferente funcționării și măsurători de temperatură. Configurațiile următoare au fost testate utilizând proiectul de referință quarter-brick (QB) și placa sa de sistem. Placa de sistem este echipată cu un circuit hot-swap.
Setări de operare ale sursei de alimentare QB
- Tensiune de intrare: 40 V până la 60 V
- Tensiune de ieșire: 12 V
- Sarcină de ieșire: 0 A până la 166,67 A
- Frecvență de comutație: 150 kHz
Date de performanță
Figura 1: Graficul eficienței și al pierderilor de putere pentru modulul quarter-brick de la ADI, la tensiuni de intrare de 48 V și 54 V. (Sursă: ADI)
Eficiență și pierderi de putere
Utilizarea unui convertor DC-DC cu 4 faze reduce curentul pe fiecare fază, diminuând astfel pierderile de conducție. Sursa de alimentare quarter-brick a fost testată la tensiuni de intrare de 48 V și 54 V pentru determinarea eficienței, iar rezultatele sunt prezentate în Figura 1.
La o tensiune de intrare mai mică, eficiența maximă este mai ridicată datorită raportului de conversie mai favorabil. Totodată, aceasta scade treptat la puteri de ieșire mai mari, din cauza creșterii curentului de intrare. În schimb, la 54 V, convertorul atinge un vârf de eficiență mai scăzut, dar oferă o eficiență mai bună la sarcină maximă.
Pe o suprafață PCB corespunzătoare formatului quarter-brick, convertorul atinge o eficiență maximă de aproximativ 98,59% la 48 V și 800 W, precum și o eficiență de 97,33% la sarcină maximă. Pentru aplicațiile de 54 V, acesta poate atinge o eficiență maximă de 98,45% la 1000 W și o eficiență de 97,68% la sarcină maximă.
Redresarea sincronă utilizată reduce pierderile de conducție asociate diodelor, optimizând și mai mult eficiența. Prin utilizarea unor condensatoare de intrare și de ieșire de înaltă calitate, cu rezistență serie echivalentă (ESR) redusă, împreună cu selectarea corespunzătoare a inductorului cuplat, pierderile la nivelul componentelor critice sunt diminuate. Această selecție atentă a componentelor, împreună cu cerințele de proiectare avute în vedere, contribuie la reducerea generală a pierderilor de putere.
Prin proiectarea adecvată a layout-ului PCB, gestionarea termică eficientă și optimizarea parametrilor buclei de control, dispozitivul permite realizarea unor soluții de alimentare fiabile și eficiente.
Răspuns tranzitoriu: Livrare extinsă de putere
Figura 2: Treaptă de sarcină de la 2 kW la 3 kW timp de 50 ms. (Sursă: ADI)
Convertorul este potrivit pentru cerințele dinamice de alimentare ale aplicațiilor cu magistrală intermediară. Arhitectura sa cu 4 faze permite distribuirea eficientă a sarcinii, reducând efectele modificărilor bruște ale condițiilor de sarcină.
Această abordare de proiectare este susținută de capacitatea controlerului de a se adapta rapid și eficient la variațiile cererii de putere, asigurând o tensiune de ieșire constantă în timpul evenimentelor tranzitorii. Funcționarea intercalată permite un răspuns rapid la fluctuațiile bruște ale sarcinii. Această capacitate de reacție este esențială în situațiile în care sunt necesare ajustări rapide ale alimentării.
Convertorul este proiectat să livreze putere extinsă pentru o perioadă limitată de timp, pentru a susține cererile bruște de sarcină, menținând în același timp tensiunea de ieșire reglată. Acest proiect, cu o putere nominală de 2 kW, a fost testat pentru livrarea unei puteri extinse de 1,5 ori timp de 50 ms, așa cum se arată în Figura 2 și pentru livrarea unei puteri extinse de 1,8 ori timp de 500 µs, așa cum se arată în Figura 3.
Figura 3: Treaptă de sarcină de la 2 kW la 3,6 kW timp de 500 µs. (Sursă: ADI)
Răspunsul tranzitoriu al convertorului poate fi optimizat în continuare prin ajustarea compensării de tip 2, permițând o reglare precisă și minimizând abaterile tensiunii de ieșire.
Performanță termică
Performanța termică a acestui proiect de referință este un factor critic pentru funcționalitatea sa generală. O gestionare termică adecvată asigură funcționarea fiabilă a dispozitivului și previne supraîncălzirea, care poate degrada performanța și poate scurta durata de viață a componentelor electronice. Figura 4 prezintă caracteristicile termice ale modulului fără radiator și fără placă de bază termică.
Îmbunătățirea performanței termice a sursei de alimentare quarter-brick prin includerea unui radiator eficient asigură disiparea căldurii, menținând în același timp un flux de aer adecvat în jurul dispozitivului. Fișa tehnică oferă, de obicei, recomandări pentru proiectarea corespunzătoare a radiatorului, inclusiv detalii privind rezistența termică și temperatura maximă admisibilă a joncțiunii.
Prin implementarea acestor recomandări, proiectanții pot preveni depășirea limitelor de temperatură de către dispozitivele critice, precum controlerele și FET-urile, asigurând o funcționare fiabilă și continuă. În plus, convertorul include funcții precum protecția împotriva supraîncălzirii, care contribuie la protejarea dispozitivului împotriva problemelor termice. Acest mecanism de protecție poate opri automat controlerul sau poate reduce puterea de ieșire în cazul unor temperaturi excesive, prevenind deteriorarea dispozitivului și a componentelor din jur.
Figura 4: Performanța termică a modulului QBS la 48 VIN, sarcină maximă (POUT = 2 kW). (Sursă: ADI)
Răspuns la pornire
La pornire, curentul de impuls la conectare, generat de încărcarea condensatoarelor de stocare de la sursa principală de alimentare, este limitat, iar tensiunea de ieșire crește treptat în faza inițială de pornire. Acest lucru previne depășirile de curent și de tensiune la pornire, sporind fiabilitatea sistemului și protejând componentele din aval împotriva unor potențiale deteriorări.
Controlerul include, de asemenea, mecanisme de monitorizare a defectelor, pentru a detecta condițiile anormale în timpul pornirii și pentru a declanșa răspunsurile adecvate, prevenind astfel eventualele probleme. Figura 5 ilustrează răspunsul la pornire înainte ca tensiunea de ieșire să crească.
Figura 5: Pornirea convertorului hibrid în condiții de sarcină zero. (Sursă: ADI)
În timpul pornirii, convertorul crește treptat tensiunea de ieșire, asigurând o tranziție lină către modul normal de funcționare. Această abordare controlată este esențială în aplicațiile în care schimbările bruște de tensiune ar putea afecta componentele conectate. Controlerul este proiectat să gestioneze pornirea în diverse condiții, adaptându-se la o gamă largă de tensiuni de intrare și scenarii de sarcină.
Pentru proiectul de referință quarter-brick de la Analog Devices, este inclus și controlerul hot-swap LTC4287, pentru a asigura o creștere lină a tensiunii de intrare.
Riplul de ieșire
Riplul de ieșire se referă la fluctuațiile sau variațiile tensiunii de ieșire a sursei de alimentare. Convertorul obține un riplu redus la ieșire prin funcționarea intercalată a fazelor și prin utilizarea unui inductor cuplat, fazele de comutație funcționând ușor defazate una față de cealaltă. Această intercalare a fazelor reduce eficient riplul tensiunii de ieșire, oferind o tensiune de ieșire mai curată și mai stabilă, așa cum se arată în Figura 7.
Figura 6: Pornirea QBS în condiții de sarcină zero. (Sursă: ADI)
Performanța convertorului în ceea ce privește riplul de ieșire este influențată de diverși factori, inclusiv calitatea condensatoarelor de intrare și de ieșire, selecția inductorului și proiectarea generală a circuitului. Prin utilizarea unor condensatoare de înaltă calitate, cu ESR redus și a unor inductoare selectate corespunzător, proiectanții pot minimiza și mai mult riplul de ieșire.
Fișa tehnică oferă, de obicei, îndrumări și recomandări pentru selectarea componentelor adecvate în vederea optimizării performanței privind riplul de ieșire. În aplicațiile în care un riplu redus al tensiunii de ieșire este esențial, arhitectura multifazică și caracteristicile convertorului contribuie la menținerea unei ieșiri line și reglate cu precizie. Acest lucru este deosebit de benefic pentru alimentarea componentelor electronice sensibile sau a sistemelor în care nivelurile stabile de tensiune sunt esențiale pentru funcționarea corespunzătoare.
Datele privind riplul tensiunii de intrare și al tensiunii de ieșire depind, de asemenea, de configurația de măsurare. De aceea, se recomandă utilizarea unei sonde scurte, conectate la cel mai apropiat condensator ceramic, pentru a înregistra performanța reală a riplului în regim staționar.
Concluzie
Figura 7: Riplul tensiunii de intrare și riplul tensiunii de ieșire. (Sursă: ADI)
Sursele de alimentare quarter-brick oferă o soluție simplificată și de înaltă performanță, potrivită pentru diverse aplicații. Datorită designului compact, eficienței energetice și fiabilității ridicate, aceste surse de alimentare asigură o densitate mare de putere, reglare precisă a tensiunii și funcții avansate de protecție, având astfel un rol esențial în numeroase industrii.
Cel mai recent convertor discret de magistrală intermediară de la ADI oferă avantaje importante pentru alimentarea centrelor de date, combinând eficiența ridicată, performanța solidă și funcțiile avansate de control. Capacitatea sa de a optimiza livrarea puterii, de a spori fiabilitatea și de a reduce costurile operaționale îl transformă într-o soluție eficientă pentru gestionarea fiabilă a alimentării în centrele de date.
Autori:
Karl Audison Cabas, Product Applications Development Engineer
Ralph Clarenz Matociños, Associate Applications Development Engineer și
Christian Cruz, Staff Applications Engineer
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 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.
Ralph Clarenz Matociños a obținut diploma de licență în inginerie electronică la Universitatea Pamantasan ng Lungsod ng Maynila (PLM) din Manila, Filipine. Are peste un an de experiență în inginerie în domeniul electronicii de putere, inclusiv în dezvoltarea sistemelor de management al bateriilor și în conversia de putere DC-DC. S-a alăturat ADI în 2022 și lucrează în prezent 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 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.
Referințe
- Cruz, Christian. “The Power of 48 V: Relevance, Benefits, and Essentials in System-Level Applications.” Analog Dialogue, Vol. 58, July 2024.
- Haug, Bruce. “72 V Hybrid DC-to-DC Converter Reduces Intermediate Bus Converter Size by up to 50%.” Analog Dialogue, Vol. 52, February 2018.
- Ikiriannikov, Alexandr and Laszlo Lipcsei. “Greatly Increase the Efficiency of the Regulated 48 V to 12 V First Stage.” Analog Devices, Inc., October 2023.
- “The Benefits of the Coupled Inductor Technology.” Maxim Integrated, March 2015.
Glosar de termeni
Arhitectură și topologie
Quarter-brick (QB) – Format standard pentru module de alimentare DC-DC, utilizat frecvent în centre de date și aplicații de telecomunicații. Denumirea se referă la dimensiunea fizică standardizată a modulului.
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, precum 12 V.
Arhitectură cu 4 faze – Topologie în care curentul este împărțit între patru faze de comutație. Aceasta reduce curentul pe fiecare fază, pierderile de conducție și riplul.
Funcționare intercalată – Mod de operare în care fazele de comutație sunt defazate în timp, pentru a reduce riplul și pentru a îmbunătăți răspunsul tranzitoriu.
Inductor cuplat – Componentă magnetică în care mai multe înfășurări sunt realizate pe același miez magnetic. În convertoarele multifazice, contribuie la reducerea riplului și la creșterea densității de putere.
Performanță și măsurare
Eficiență – Raportul dintre puterea utilă livrată la ieșire și puterea absorbită la intrare. O eficiență mai ridicată înseamnă pierderi mai mici și o disipare termică redusă.
Riplu de ieșire – Variație periodică a tensiunii de ieșire în jurul valorii medii. Un riplu redus este important pentru alimentarea componentelor electronice sensibile.
Răspuns tranzitoriu – Capacitatea convertorului de a menține tensiunea de ieșire stabilă atunci când sarcina se modifică brusc.
Treaptă de sarcină – Modificare rapidă a sarcinii aplicate convertorului, utilizată în teste pentru evaluarea răspunsului tranzitoriu.
Curent de impuls la conectare – Curent mare și de scurtă durată care apare la pornire, în special la încărcarea condensatoarelor de intrare.
Protecție și management termic
Hot-swap – Funcție care permite conectarea sau deconectarea unui modul fără oprirea completă a sistemului, protejând în același timp circuitele la conectare.
Placă de bază termică – Placă metalică utilizată pentru transferul căldurii de la modul către radiator sau către structura mecanică a sistemului.
Management termic – Ansamblul metodelor utilizate pentru evacuarea căldurii și menținerea componentelor în limite sigure de temperatură.
Protecție la supraîncălzire – Funcție de siguranță care poate reduce puterea de ieșire sau poate opri convertorul atunci când temperatura depășește limitele admise.