Die Energiewandlung stellt Entwickler vor große Herausforderungen, insbesondere in unserer kostenbewussten Welt. Sie müssen nicht nur immer kompaktere Lösungen entwickeln, die auf kleinerem Raum mehr Leistung erzeugen, sondern diese Lösungen müssen auch effizienter und kostengünstiger als frühere Generationen sein.
Da viele OEMs ihren Wettbewerbsvorteil auf die Effizienz ihrer Lösungen gründen, ist die Erreichung dieser anspruchsvollen und mitunter widersprüchlichen Ziele direkt mit dem Geschäftserfolg verknüpft. Im Laufe der Jahre hat die Leistungselektronikindustrie im Bestreben nach höherer Effizienz und niedrigeren Kosten verschiedene Architekturen entwickelt und eingesetzt.
Die Direktwandlung bietet in mehreren Schlüsselbereichen Vorteile: höhere Wandlungseffizienz, geringere Stromverluste bei der Verteilung, Platzersparnis auf der Leiterplatte und Einhaltung des Open Rack V2.0-Standards. In diesem Fachartikel konzentriert sich Flex auf die Effizienz und beleuchtet die aktuellen, hochmodernen Stromversorgungsarchitekturen sowie eine neue Organisation, die OEMs, die auf effiziente und frei verfügbare Stromversorgungslösungen angewiesen sind, mehr Auswahl und Flexibilität verspricht.
Vor vielen Jahren war die Arbeit für Entwickler deutlich einfacher, da die meisten Halbleiter nur eine einzige 5-V-Versorgung benötigten. Damals reichte eine zuverlässige und relativ saubere 5-V-Schiene aus, die alle Geräte im System versorgen konnte. Die gängigste Architektur bestand aus einem zentralen Netzteil oder, in Systemen mit hohen Zuverlässigkeitsanforderungen, gegebenenfalls aus redundanten Netzteilen.
In den 1990er und frühen 2000er Jahren begannen sich die Verhältnisse zu ändern, vor allem aufgrund der zunehmenden Verwendung von Logikbausteinen mit unterschiedlichen Betriebsspannungen. Da nun mehrere Versorgungsspannungen benötigt wurden und die Effizienz ein häufig diskutiertes Thema war, wurde ein neuer Ansatz eingeführt. Wandler wurden anhand ihrer Größe – Voll-, Halb-, Viertel- oder Achtel-Brick – definiert, und mehrere voneinander isolierte Wandler wurden eingesetzt, um den 48-V-Gleichstromzwischenkreis in die für die Halbleiter benötigten Spannungen umzuwandeln.
Ein Jahrzehnt später (diese Zeitangabe ist nicht ganz eindeutig; dies geschah tatsächlich auch nach der Jahrhundertwende) wurde die Zwischenbusarchitektur (IBA) vorgeschlagen und hat sich in vielen Anwendungsbereichen, wie z. B. Datenkommunikation, Rechenzentren und Telekommunikation, etabliert. Eines der Hauptziele dieses Ansatzes war die Zentralisierung der Isolation in einem einzigen Busumrichter, wodurch die Anzahl mehrerer isolierter Umrichter reduziert wurde. Einige dieser Zwischenbusumrichter (IBCs) wurden auch als ‘Verhältnisumrichter’ bezeichnet, da sie durch das Verhältnis ihrer Eingangs- und Ausgangsspannung charakterisiert werden konnten. Viele dieser IBCs waren zumindest teilgeregelt, um eine ausreichend stabile Spannung für den Einsatz mit anderen Geräten als Point-of-Load-Umrichtern (PoL) wie z. B. Lüftern bereitzustellen.
Wie der Name schon sagt, werden die PoL-Wandler physisch nahe an der Last positioniert, typischerweise einem Mikroprozessor, FPGA, ASIC, Speicher oder einem anderen digitalen IC, um Rauschen zu minimieren und Verluste zu reduzieren, indem der Niederspannungs-Hochstrompfad verkürzt, die Entkopplungskapazität verringert und auch die Reaktion auf Lasttransienten verbessert wird.
Riesige Datenmengen erhöhen die Nachfrage nach effizienteren Energielösungen.
In den letzten Jahren hat der Datenverkehr aufgrund des Booms mobiler Geräte und insbesondere des vermehrten Konsums bandbreitenintensiver Videoinhalte deutlich zugenommen. Laut Ericsson werden sich diese Zahlen zwischen 2017 und 2022 voraussichtlich verzehnfachen.
Gleichzeitig ist der Leistungsbedarf von Blade-Servern gestiegen und liegt mittlerweile über 1 kW; Werte über 3 kW werden in den nächsten Jahren erwartet. Während die Anzahl mobiler Geräte rasant zunimmt, wird der enorme Anstieg der Rechenleistung und der Fokus auf Systemeffizienz vor allem durch den Datenbedarf von Big Data, KI, IoT-fähigen Geräten, autonomen Fahrzeugen und anderen Faktoren bedingt sein.
Angesichts der bereits hohen und voraussichtlich weiter steigenden Energiepreise steigen auch die Betriebskosten für Energie kontinuierlich. Jedes Watt, das durch ineffiziente Energieumwandlung in Wärme umgewandelt wird, kostet Geld. Erschwerend kommt hinzu, dass die Wärme abgeführt werden muss – dies erhöht Größe, Gewicht und Kosten der Systeme in Form von Systemkühlung und erfordert zudem leistungsstärkere Klimaanlagen in den Gebäuden, deren Installation und Betrieb ebenfalls Kosten verursachen.
Daher können selbst relativ geringe Effizienzgewinne bei der Leistungsumwandlung zu erheblichen Einsparungen bei Größe und Kosten für Rechenzentrums- und Telekommunikationsbetreiber führen.
Direkte Leistungsumwandlung treibt die Effizienz an
Die zweistufige IBA-Umwandlung bietet zwar viele Vorteile, insbesondere hinsichtlich Kosten und Platzbedarf, geht aber mit einem geringeren Wirkungsgrad einher. Bis vor Kurzem überwogen die anderen Vorteile der IBA den geringeren Wirkungsgrad, doch wie wir gesehen haben, verschieben höhere Leistungsstufen und steigende Energiekosten diese Gewichtung.
Typischerweise erreicht ein 48-V-zu-12-V-IBC (4:1) einen Wirkungsgrad von ca. 961 TP34T, und ein PoL-Wandler kann die 12 V mit einem Wirkungsgrad von 901 TP34T in 1 V für die Last umwandeln. Die Kombination dieser beiden Werte ergibt einen Gesamtwirkungsgrad von ca. 86,41 TP34T für einen IBA. Mit herkömmlichen Technologien entspräche dies einem Leistungsverlust von ca. 157 W bei einem 1-kW-Server und ca. 500 W bei einem Server mit einer Leistungsaufnahme von ca. 3,2 kW. Würde die 48-V-zu-12-V-Wandlungsstufe mit einem Wirkungsgrad von 981 TP34T Standard werden, würde ein 1-kW-Server weiterhin 137 W und ein 3,2-kW-Server 438 W verbrauchen.
Moderne Leistungsstufenmodule können 48 V in einem einzigen Schritt auf 1 V umwandeln (Direktumwandlung) und erreichen dabei Wirkungsgrade von 91% oder höher. In diesem Fall würde die 3,2-kW-Serverplatine lediglich 315 W Verlustleistung erzeugen, was einer Reduzierung um 37% bzw. einer Einsparung von 185 W an Verlustleistung entspricht. Obwohl die Verbesserung ‘nur’ 4,6 Wirkungsgradpunkte beträgt, sind die Energieeinsparungen in modernen Rechenzentren mit Hunderten oder sogar Tausenden von Servern enorm und führen zu einer signifikanten Senkung der Betriebskosten.
Abbildung 1: Die direkte Konvertierung ist ein effizienterer Ansatz als die zweistufige IBA-Konvertierung.
Da sich die Leistungswandlungstechnologie seit der Einführung des IBA verbessert hat, werden derzeit Topologien entwickelt, die eine kompakte und effiziente direkte Wandlung vom 48-V-Bus auf Subvolt-Logikpegel ermöglichen. Diese modernen Bauelemente arbeiten mit hohen Frequenzen und bieten dadurch ein exzellentes Einschwingverhalten, typischerweise mit reduziertem Entkopplungskapazitätsbedarf. Gleichzeitig sind sie in der Lage, mit den sehr niedrigen Tastverhältnissen zu arbeiten, die für die direkte Wandlung von 48 V auf etwa 1,0 V erforderlich sind.
Die Direktumwandlung ist zwar ein wichtiger Trend in der Branche, doch die Dinge werden sich nicht über Nacht ändern. Die neuen Geräte werden zumindest in absehbarer Zukunft neben herkömmlichen zweistufigen Wandlungsverfahren angeboten. In dieser Zeit können Entwickler von Stromversorgungssystemen den optimalen Ansatz wählen – möglicherweise sogar die Kombination beider Ansätze in einer Hybridarchitektur, die die Vorteile beider Welten vereint.
Neue Allianz beschleunigt Standardisierung der einstufigen Umrüstung
Das Vertrauen, dass die einstufige Wandlung ein wesentlicher Bestandteil der Stromversorgungslösungen der nächsten Generation für Rechenzentren und Telekommunikationsinfrastruktur sein wird, ist so groß, dass sich vier der wichtigsten Akteure der Leistungsmodulindustrie zu einer neuen Allianz zusammengeschlossen haben, die sich ausschließlich der Förderung der Vorteile der direkten Wandlung widmet.
Die Power Stamp Alliance (PSA) wurde Anfang dieses Jahres gegründet, und Flex ist Gründungsmitglied dieser Organisation. Das Hauptziel der PSA ist die Bereitstellung eines herstellerübergreifenden Ansatzes für standardisierte Direktwandler-Leistungsmodule. Um dieses Ziel zu erreichen, hat die PSA Spezifikationen entwickelt, die die Abmessungen und Schnittstellenfunktionen für 100-A-Direktwandlermodule (bekannt als ‘Power Stamps’) definieren und es den PSA-Mitgliedsunternehmen ermöglichen, die elektrische Leistung zu bestimmen.
Es gibt zwei Arten von Leistungsmodulen: Das Hauptmodul fungiert im Wesentlichen als ‘Controller’ und enthält die Steuerlogik, während die Satellitenmodule die benötigte Leistung liefern. Alle Module arbeiten mit direkter Wandlung und sind voneinander isoliert.
Abbildung 2: Die PSA-Architektur basiert auf mehreren Direktumwandlungsmodulen
Auf Systemebene basiert die PSA-Architektur auf 100-A-Leistungsmodulen. Systeme können mit bis zu sechs Modulen (einem Hauptmodul und bis zu fünf Satellitenmodulen) konfiguriert werden und erreichen damit eine Leistungsfähigkeit von 600 A. Sinkt der Strombedarf im Betrieb, schalten integrierte Steuerungen die Satellitenmodule automatisch ab und gewährleisten so einen optimalen Wirkungsgrad über einen weiten Strombereich von 100 A bis 600 A.
Zusammenfassung
Angesichts der stetig wachsenden Datenmengen, die verarbeitet, übertragen und gespeichert werden müssen, und der gleichzeitig steigenden Energiekosten rückt die Effizienz der Stromumwandlung stärker denn je in den Fokus. Dank kontinuierlicher Weiterentwicklung und technologischer Verbesserungen ist die direkte Umwandlung von der Busspannung in die Lastspannung mittlerweile eine praktikable Option. Viele Branchenexperten sehen darin die Zukunft für anspruchsvolle Anwendungen, da sie gegenüber Verfahren wie IBA zahlreiche Vorteile bietet. Tatsächlich steigert die direkte Umwandlung die Effizienz des Umwandlungsprozesses und reduziert die systemweiten Verluste erheblich, indem 48 V anstelle von 12 V verteilt werden. Durch die geringere Abwärme sinkt der Bedarf an Wärmemanagement, was Platz und Gewicht spart – und durch den Wegfall des IBC wird zusätzlich Platz gespart.
Während die Einführung neuer Architekturen aufgrund fehlender alternativer Quellen oft langsam vonstattengeht, verspricht die direkte Konvertierung eine wesentlich schnellere Akzeptanzrate. Dadurch wird sichergestellt, dass interoperable Produkte von mehreren unabhängigen Anbietern bereits in der Anfangsphase verfügbar sind, sodass Kunden den neuen Ansatz mit minimalem kommerziellen Risiko übernehmen können.