Cu mulţi ani înainte, strategiile de distribuţie a puterii în centrele de date şi oficiile de telecomunicaţii utilizau multiple convertoare izolate de tip cărămidă completă sau o jumătate, un sfert şi o optime de cărămidă pentru a transforma tensiunea de magistrală de 48VDC tipic utilizată în telecomunicaţii, în tensiuni de alimentare mai mici cerute de circuitele integrate de pe placă. Totuşi, anii 1990 au adus conceptul de arhitectură de putere distribuită, care a evoluat mai departe cu includerea introducerii magistralei intermediare. În principal proiectată pentru a reduce costul şi volumul multiplelor convertoare izolate, arhitectura constă dintr-o sursă de putere AC-DC, un convertor de magistrală intermediară izolat (IBC) uzual de dimensiune standard industrial precum un sfert de cărămidă sau o optime de cărămidă, şi convertoare punct de sarcină (POL) neizolate, integrate pe placă.
Pentru a optimiza răspunsul tranzitoriu, aceste POL-uri sunt poziţionate în apropierea pinilor de putere ai dispozitivelor precum procesoare, FPGA/ASIC, memorii şi alte circuite integrate. În această arhitectură, convertoarele coborâtoare IBC convertesc tensiunea nominală de 48VDC de la sursa de tensiune de intrare, către linia de 12VDC care este distribuită convertoarelor POL neizolate, care convertesc intrarea de 12V în tensiuni stabilizate solicitate de circuitele integrate de pe placă. Acestea pot ajunge tipic la sub 1V, după cum este nevoie pentru procesoarele de putere sau pentru nucleul logic FPGA.
Suplimentar, utilizarea modulelor IBC chiar şi mai avansate, oferă o reducere continuă a dimensiunii şi a costurilor, cu o trecere gradată de la module de dimensiune standard de un sfert, la o optime şi apoi la o şaisprezecime.
Figura 1: Creşterea traficului de date de la Q3 2011 la Q3 2016
Creşterea traficului şi a puterii
Cantitatea datelor transferate prin reţele creşte semnificativ mulţumită în parte creşterii continue a traficului mobil. În acord cu cel mai recent raport Ericsson Mobility[1], traficul de date mobile a crescut cu 50 de procente din Q3 2015 până în Q3 2016 (vedeţi figura 1).
Această creştere în traficul de date este condus de creşterea numărului de abonamente de telefoane inteligente şi de o creştere continuă a utilizării medii a datelor pe abonament, cauzată în principal de conţinutul video.
Între 2016 şi 2022, traficul în cazul telefoanelor inteligente se aşteaptă să crească de 10 ori, în vreme ce traficul mobil total pentru toate dispozitivele se aşteaptă să crească de opt ori faţă de nivelul curent.
Centrele de date şi oficiile de telecomunicaţii se află de aceea sub presiunea enormă de a suporta numărul crescut de abonamente şi conexiuni noi, furnizând în acelaşi timp servicii intense de date cu întârziere minimă. Aceasta înseamnă că consumul de putere de vârf al plăcilor de bază mari a crescut semnificativ peste 1kW şi este posibil să ajungă la peste 3kW în anii ce urmează. De vreme ce consumul de putere continuă să crească, creşte şi concentrarea operatorilor centrelor de date asupra randamentului, aceştia căutând să controleze costurile de energie în cazul serverelor şi sistemelor de răcire şi să minimizeze amprenta lor de mediu la nivelul întreprinderii. Preţul energiei ar putea creşte în viitor, aceasta însemnând că alimentarea centrelor de date mari ar putea în viitor să coste mai mult decât serverele şi echipamentele de reţea.
Avantajele conversiei directe
Cele mai recente convertoare avansate sunt capabile de a oferi randamente tipice de 95-96% pentru un IBC şi 90% pentru un POL de 12V-1V la o sarcină particulară. Totuşi, pierderile energetice cumulative la ambele nivele de conversie, pot reduce randamentul global la aproximativ 86,4%. Alternativa este de a utiliza un singur convertor pentru a produce tensiunea de alimentare necesară pentru circuitele integrate cu un randament de 89% sau mai mult, pentru aceeaşi sarcină, crescând astfel randamentul global de conversie (vedeţi figura 2).
Un alt factor de luat în considerare este reducerea pierderilor de distribuţie I2R. Distribuţia tensiunii de 48VDC pentru conversie directă la punctul de sarcină înseamnă că magistrala ce alimentează convertorul poartă numai 25% din curentul care ar fi necesar pentru a furniza acelaşi nivel de putere la 12V. Această scădere de patru ori înseamnă că pierderile în distribuţie I2R de la sursa de 48V pot fi reduse cu un factor de 16. Suplimentar, există o reducere în cantitatea de cupru necesară pentru distribuţia de putere. Reducerea pierderilor în distribuţia de putere I2R va deveni din ce în ce mai importantă, odată cu continua creştere a puterii totale din servere.
Un al treilea avantaj este economisirea spaţiului de placă şi reducerea costului materialelor, componentelor electronice şi a costului de fabricaţie. Pe baza celor mai recente tehnologii, un nou convertor direct 48V-POL poate fi mai mic decât modulele convenţionale comparabile cu dimensiuni de un sfert sau o şaisprezecime de cărămidă împreună cu convertoare POL. Poate fi de asemenea eliminată necesitatea de IBC multiple şi paralele de un sfert şi o optime de cărămidă.
Totuşi, pentru sistemele de înaltă putere sau înaltă complexitate, veţi avea încă probabil nevoie de o magistrală intermediară de putere redusă pentru alimentarea liniilor de curent redus. Dar din nou, va fi nevoie de un convertor IBC cu o dimensiune de o optime sau o şaisprezecime de cărămidă, în loc de un sfert de cărămidă, economisind spaţiu suplimentar de placă.
Figura 2: Convertor convenţional cu două trepte IBC + POL versus o soluţie de conversie directă
Conversia într-o singură treaptă
Adoptarea conversiei directe, implementată prin utilizarea celor mai recente tehnologii, este o tendinţă în creştere pe pieţele de telecomunicaţii şi comunicaţii de date. Astăzi, este dezvoltată o nouă generaţie de convertoare cu o singură treaptă, de înalt randament şi compactitate, care va converti direct de la 48V la tensiune logică. Aceste dispozitive vor fi capabile de a suporta factori de umplere reduşi, necesari pentru conversia de la 48V la 1.0V, în vreme ce operează la frecvenţe de comutaţie ridicate, pentru a asigura un răspuns tranzitoriu rapid şi a minimiza componentele magnetice şi condensatoarele de decuplare. Progresele din industrie continuă cu dezvoltarea de soluţii scalabile avansate.
Soluţiile de conversie directă nu vor înlocui peste noapte schemele de distribuţie de putere existente. Noile dispozitive vor intra pe piaţă împreună cu produsele IBC şi POL utilizate curent pentru a alimenta plăcile de la câteva sute de Watt, la peste 3kW sau mai mult. Aşteptările sunt acelea că directa conversie va furniza câştigurile de randament cele mai mari la nivele crescute de putere. Ele pot fi utilizate pentru a reduce dramatic sarcinile în IBC-uri, de exemplu, permiţând astfel proiectanţilor să creeze unităţi mai mici şi posibil chiar utilizarea unor module de o optime sau o şaisprezecime de cărămidă, în loc de cele de un sfert de cărămidă. Acest lucru va fi ideal pentru noile generaţii de procesoare de curent ridicat.
Cu toate acestea, costul sau problemele moştenite pot determina punctul de la care unii producători de echipamente vor lua în considerare implementarea conversiei directe. Disponibilitatea modulelor de conversie directă, dar şi a celor tradiţionale, împreună pe piaţă, va asigura proiectanţilor libertatea de a dezvolta arhitecturi hibride, care să combine topologii de magistrală intermediară şi conversie directă, oferind ce este mai bun în ambele variante.
Concluzie
Distribuirea de tensiuni mai mari, precum 48VDC, pe plăcile de bază şi conversia directă la tensiunile POL necesare, aduce un număr de avantaje. Acestea includ randament mai ridicat, pierderi de distribuţie I2R mai mici, precum şi eliberarea de spaţiu de placă, care ar fi fost necesare în cazul unui convertor intermediar.
În practică, presiunea costului, combinată cu constrângerile inginereşti legate de frecvenţa de comutaţie, raportul de coborâre de tensiune şi performanţele tranzitorii, au însemnat istoric utilizarea topologiilor tradiţionale cu două trepte pentru conversia de la 48VDC la tensiunile mai joase pentru circuitele integrate. Dar necesitatea în creştere pentru maximizarea randamentului energetic şi creşterea dramatică a densităţii de putere, necesită tehnologiile de putere cele mai recente, iar soluţiile de conversie directă pot oferi arhitecturi de conversie de putere de înaltă eficienţă, precum şi economii de spaţiu de placă.
[1] Ericsson Mobility Report www.ericsson.com/mobility-report
Autor: Bob Cantrell, Senior Application Engineer la Ericsson Power Modules
Ericsson Power Modules
www.ericsson.com