de Martin Hägerdal,
Preşedinte Ericsson Power Modules
Figura 1: Control de putere digital.
Cele două sectoare converg deoarece distribuitorii de sisteme de comunicaţii utilizează arhitecturi de centre de date pentru a conduce migrarea către reţele definite software. Încorporarea de FPGA-uri (field-programmable gate array), unităţi de procesare grafică (GPU) şi accelerare particularizată împreună cu multe unităţi de procesare centrale (CPU) este un simptom al concentrării crescute pe eficienţă energetică în aplicaţii de centre de date şi comunicaţii. Proiectele nu numai că trimit către densitate mare de energie şi tensiuni scăzute, ci şi către controlul precis asupra fiecărei linii de tensiune şi abilitatea de a controla mai multe linii independent de nivelul punctului de sarcină (POL).
Datorită scăderii tensiunii de alimentare la mai puţin de 1V, sunt acum inevitabile nivele ridicate de curent, ceea ce pune presiune mare pe performanţele convertoarelor POL CC-CC ce alimentează sistemele pe cip (SoC), atât în termeni de stare fixă cât şi de adaptare tranzitorie.
Optimizarea într-o zonă a convertorului CC-CC nu mai este suficientă pentru a garanta performanţa. Din cauza nivelelor ridicate de curent, numeroase convertoare trebuie să lucreze împreună şi să se adapteze cu uşurinţă la cerinţe specifice ale sistemului ţintă.
Unele linii vor necesita nivele foarte ridicate de curent, solicitând cuplarea de multiple convertoare CC-CC utilizând tehnici de distribuire a fazei pentru a maximiza energia cu eficienţă ridicată. Prin defazarea ieşirii multiplelor convertoare, sarcina poate trage vârfuri de curent ridicate fără a produce vârfuri ridicate de interferenţe electromagnetice, ce pot apărea în cazul unei arhitecturi cu comutaţie într-o singură fază. Distribuirea fazelor permite o mai mare eficienţă la sarcini joase, deoarece fazele pot fi oprite atunci când curentul scade pe perioada unei activităţi reduse a sistemului. Acest lucru este vital în sistemele cu mai multe nuclee, sistemul de operare oprind nucleele nefolosite pentru a economisi energie, reactivându-le dacă software-ul solicită schimbări.
Ceea ce face posibilă atingerea unei eficienţe ridicate într-un mediu dezvoltat pe componente de la mai mulţi furnizori, este tendinţa către control digital. Aproape în acelaşi mod prin care un protocol digital uzual – Protocolul Internet – a permis unei largi varietăţi de sisteme să comunice, AMP oferă un limbaj digital comun între convertoarele CC-CC. Comunicaţia prin PMBus, în schimb, furnizează o legătură strânsă între unitatea de management a sistemului şi fiecare dispozitiv de putere din carcasă.
Capabilitatea de control digital se extinde mult în nucleul convertorului CC-CC. Până de curând, proiectele de convertoare implicau un nucleu analogic. Controlul analogic oferea o eficienţă rezonabilă şi o metodă economică de realizare a conversiei în mod de comutaţie, ce înlocuia arhitecturile liniare cu pierderi mai mari.
Majoritatea convertoarelor în comutaţie implică utilizarea modulării în lăţimea pulsului (PWM), prin care un controler măsoară tensiunea de ieşire şi o compară cu o tensiune de referinţă pentru a genera un semnal de eroare. Acesta în schimb este comparat cu ieşirea de la un oscilator ce generează un semnal rampă. Când semnalul rampă depăşeşte tensiunea de eroare, MOSFET-ul responsabil cu încărcarea inductorului este comutat ON şi comutat OFF când rampa cade în cealaltă direcţie. Schimbările în tensiunea de eroare, după cum tensiunea creşte şi scade, controlează lăţimea pulsului de curent livrat sarcinii prin inductor.
Figura 2: Puterea digitală este eficientă în particular pentru îmbunătăţirea randamentului în condiţii de sarcină scăzută SURSĂ – Ericsson (EGG Octombrie 2014).
Deşi s-a dovedit eficient timp de decenii, controlul analogic PWM şi-a atins limitele. Stabilitatea este o grijă cheie în proiectarea buclei de control pentru orice convertor analogic bazat pe PWM. Dar această stabilitate reduce flexibilitatea şi viteza de răspuns. Sursele de putere în comutaţie bazate pe tehnici de control analogic utilizează adesea o reţea de compensare pentru a regla răspunsul de frecvenţă al buclei astfel încât să se poată obţine un bun răspuns tranzitoriu fără a compromite stabilitatea. Proiectarea acestei reţele de compensare poate fi o operaţiune consumatoare de timp, necesitând încercări.
Pe termen lung, performanţele reţelei de compensare pot varia datorită variaţiilor de temperatură sau îmbătrânirii dispozitivului. Deoarece componentele de compensare sunt lipite la un loc, nu se poate face prea mult pentru reajustarea comportamentului reţelei atunci când devine vizibil efectul îmbătrânirii.
Există puţine posibilităţi pentru reglarea arhitecturii de conversie de putere în timpul fabricaţiei, ceea ce este problematic pentru procesele de producţie de astăzi în care flexibilitatea este cheia.
Procesarea digitală poate oferi algoritmi cu răspuns mult mai rapid pentru stabilizarea CC-CC, permiţând explorarea unei game largi de strategii de control. Acestea sunt mai uşor de reglat conform unor cerinţe specifice ale aplicaţiei de putere ţintă, deoarece o mare parte din reglare poate fi realizată prin software. Tehnicile de control mai avansate fac de asemenea posibilă reducerea numărului de componente pe filtrarea ieşirii şi astfel optimizează spaţiul pe PCB, factor cheie atunci când trebuie să fie implementate mai multe convertoare CC-CC în paralel pentru a suporta nivele de curent de 500A sau mai mult pe o singură lamă.
Cu control digital, software-ul poate utiliza modele ale electronicii convertorului şi ale sarcinii pentru o analiză mai apropiată a necesităţilor sistemului. Rezultatul acestei potriviri apropiate între model şi comportamentul real asigură un control mai precis, iar în cazul convertoarelor CC-CC precum seria BMR46x, permite o reducere a componentelor pasive externe. Atributele la nivel de sistem precum curentul de riplu permis pot fi estimate şi reglate utilizând unealta software EPD (Ericsson Power Designer), ce permite selectarea celor mai potrivite condensatoare de filtrare.
Cooperarea necesară între convertoarele de putere din sistem va fi facilitată de standarde precum cel dezvoltat de consorţiul AMP (Architects of Modern Power), la care Ericsson este unul dintre membrii fondatori. Scopul consorţiului este de a crea un ecosistem fertil pentru soluţii de putere multi-sursă simple, intuitive şi de randament ridicat, bazate pe tehnologie digitală.
Suportul pentru un comportament mai dinamic pe lama serverului va fi dublat de o flexibilitate mai mare pe arhitectura magistralei intermediare.
Trecerea la un control în tensiune dinamică pe magistrală (DBV) va oferi posibilitatea de reglare a anvelopei de putere pentru a răspunde condiţiilor de schimbare de sarcină pe cea mai eficientă cale posibilă. DBV obţine acest lucru prin alternarea tensiunii de magistrală intermediară ca răspuns la schimbările de sarcină. Controlul digital avansat al puterii şi hardware-ul optimizat combinat cu o serie de algoritmi software fac posibilă implementarea eficientă economic a DBV.
Cu fiecare dintre aceste inovaţii, arhitectura de putere este gata de a răspunde cerinţelor anului 2016 şi mai departe în viitor, sistemele de înaltă densitate cu mai multe nuclee devin nucleul lumii noaste digitale.
Despre autor:
Domnul Martin Hägerdal este Preşedinte al Ericsson Power Modules, companie independentă din Grupul
Ericsson. El are o experienţă de mai mult de 20 de ani de lucru cu industriile de putere şi telecomunicaţii şi şi-a petrecut aproape 10 ani ca vârf de lance în creşterea vânzărilor la Ericsson Power Modules. Înainte de a se alătura companiei, el a fost
responsabil de vânzări internaţionale la Ericsson AB, vânzând echipamente pentru infrastructură de telecomunicaţii în Africa, Orientul Mijlociu şi Europa şi a lucrat de asemenea şi la departamentul R&D la Ericsson AB.
A absolvit studiile de master în Inginerie Electrotehnică ale Institutului de Tehnologie
din Lund şi studiile de licenţă în Administrarea Afacerilor la Universitatea din Stockholm.
Ericsson Power Modules
www.ericsson.com