Broschüre
Stromversorgung von Rechenzentren – vom Stromnetz bis zum Chip
Einführung
‘Serendipität’ bezeichnet das glückliche Zusammentreffen von Umständen (benannt nach der persischen Märchengeschichte ‘Die drei Prinzen von Serendib’, dem alten Namen Sri Lankas). In der Leistungswandlungstechnik ist dieser Effekt leider selten zu beobachten. Ein aktuelles Beispiel hierfür ist die Kombination aus der Rückkehr zur 48-V-Stromverteilung in Rechenzentren, einem neuen, nicht-isolierten Schaltkondensator-Busumrichter und hocheffizienten Point-of-Load-Umrichtern (PoLs) mit großem Eingangsspannungsbereich, die aus flexiblen Leistungsmodulen bestehen. All diese Elemente zusammen ermöglichen eine hohe Systemleistungswandlungseffizienz zu wirtschaftlichen Kosten bei extrem hoher Leistungsdichte.
Wie kam es dazu? Die Architekturen von Rechenzentrumssystemen haben sich im Laufe der Jahre verändert, um die Verluste angesichts des steigenden Datenverkehrs zu reduzieren. Die Stromverteilung mit 48 V gewinnt wieder an Bedeutung, da die ohmschen Verluste hier im Vergleich zu 12 V um den Faktor 16 geringer sind. Die Endlastspannungen liegen jedoch bei den höchsten Stromanforderungen von CPUs, GPUs und anderen rechenintensiven ICs unter 1 V. Ein hohes Umwandlungsverhältnis von 48 V auf diese Spannung in einem nicht isolierten Wandler führt jedoch zu hohen Verlusten. Eine Lösung besteht darin, zwei Wandlungsstufen zu verwenden: eine isolierte auf 12 V und eine nicht isolierte auf die Endlastspannung. 12 V werden ohnehin oft für Schnittstellen und Geräte wie Festplatten benötigt. Die Effizienz könnte jedoch durch die zusätzliche Wandlungsstufe erneut beeinträchtigt werden.
Buskonverter benötigen nicht unbedingt eine Regelung oder Trennung.
Es ist bereits bekannt, dass der 48-V-auf-12-V-Bus-Umrichter nicht unbedingt eine aktive Regelung benötigt und als einfacher Verhältniswandler fungieren kann. Dieser überträgt prozentuale Änderungen der Eingangsspannung auf nahezu die gleiche prozentuale Änderung der Ausgangsspannung, sofern die nachfolgenden PoLs einen ausreichend großen Eingangsspannungsbereich aufweisen. Dieser Ansatz ist elegant, birgt jedoch einige Probleme: Eingangsspannungsspitzen werden ungehindert durchgeleitet, und die Bauteilauswahl ist aufgrund von Patentbeschränkungen eingeschränkt. Zudem ist eine Sicherheitsisolation nicht zwingend erforderlich, da die vorgelagerten AC/DC-Wandler die Hauptisolationsbarriere bilden. Eine ideale Alternative wäre daher ein einfacher, nicht isolierter Verhältniswandler mit einer anderen Topologie, der einen sehr hohen Wirkungsgrad beibehält. Ein solcher Wandler findet sich in den Flex-Leistungsmodulen. BMR310 Produkt. Es handelt sich um einen Schaltkondensator-Umrichter mit einem festen Übersetzungsverhältnis von 4:1, der einen Spitzenwirkungsgrad von 98% erreicht und für 860 W Dauerleistung (1060 W Spitze) ausgelegt ist. Das Gehäuse hat Abmessungen von nur 58,4 mm x 25 mm x 9,9 mm einschließlich der thermischen Grundplatte.
Die Idee ist 100 Jahre alt.
Geschaltete Kondensatorwandler sind seit etwa 100 Jahren bekannt, und tatsächlich ist die Grundschaltung des BMR310 ist ein Dickson-Multiplikator ( Abbildung 1 ).
Abbildung 1: Übersicht des Flex Leistungsmoduls BMR310 Schaltkondensator-Buswandlers
Vereinfacht gesagt werden Kondensatoren in Reihe geladen und dann parallel entladen, wobei MOSFETs die entsprechenden Schaltvorgänge übernehmen. Auf diese Weise sind verschiedene feste Übersetzungsverhältnisse, einschließlich 4:1, möglich. Allerdings ist der Wirkungsgrad der ursprünglichen Schaltung bei hohen Leistungen gering, da große Kondensatoren benötigt werden, um die Energie zu übertragen und gleichzeitig hohe Impulsströme an den Schaltflanken aufzunehmen. Die Schalter selbst, ursprünglich typischerweise Bipolartransistoren (BJTs), verursachten zudem übermäßige Spannungsabfälle und Schaltverluste. BMR310 Die Schaltung und ihre Steuerung sind anders – sie basieren auf Infineon-Technologie und werden resonant mit induktiven Elementen geschaltet, die größtenteils aus parasitären Schaltungselementen bestehen. Dadurch werden die dynamischen Verluste von Schaltern und Kondensatoren drastisch reduziert. Zusätzliche Vorteile ergeben sich aus den sehr niedrigen Einschaltwiderständen der Schalter sowie den hohen CV- und niedrigen ESR-Werten der modernen Mehrschicht-Keramikkondensatoren. Das Ergebnis ist ein wirtschaftlicher, leistungsdichter Bus-Umrichter, der sich für noch höhere Lasten mit stufenloser Stromverteilung problemlos parallel schalten lässt. Dies wird durch die Ausgangsspannung von ca. 5% ermöglicht, die sich zwischen Volllast und Leerlauf relativ zur Netzspannungsschwankung als Eingangsspannung für nachgeschaltete PoLs mit großem Eingangsspannungsbereich eignet. Umfassende Schutzfunktionen und PMBus sind ebenfalls integriert.® Steuerung und Überwachung sind integriert, einschließlich der Überspannungserkennung am Ausgang, um zu verhindern, dass Eingangsspannungsspitzen auf den Ausgang gelangen.
‘Nach den ’Ratio“-Bus-Konvertern muss ein PoL-Konverter mit breitem Eingang folgen.
Das zweite Puzzleteil für unseren optimalen Betrieb ist der nachgeschaltete PoL-Wandler. Viele kommerzielle Bauteile sind erhältlich, jedoch nur mit engen Eingangsspannungsbereichen, insbesondere bei den für Rechenzentren benötigten Hunderten von Ampere. Um die Vorteile der Verhältniswandlung nutzen zu können, muss der PoL-Wandler einen Eingangsspannungsbereich von typischerweise 10–15 V vom BMR310 mit Netz- und Lastschwankungen tolerieren. Der PoL-Wandler muss so flexibel wie möglich für die auftretenden unterschiedlichen Lastspannungen und -ströme sein und gleichzeitig eine entsprechend hohe Leistungsdichte aufweisen. Die Flex-Leistungsmodule BMR510 ist hierfür ideal geeignet, da es sich um eine nicht festverdrahtete, zweiphasige PoL-Leistungsstufe handelt, die von verschiedenen PWM-Controllern angesteuert werden kann. Jeder Kanal enthält die erforderlichen Leistungs-MOSFETs, Kondensatoren und die Ausgangsinduktivität und ist für 40 A/70 A Spitze pro Phase ausgelegt, bzw. für das Doppelte dieser Werte pro Modul. Alternativ können die Phasen für unterschiedliche Ausgangsspannungen separat angesteuert werden. Parallelgeschaltete Phasen können auch gegenphasig angesteuert werden, um die Restwelligkeit zu reduzieren. Mehrere BMR510 können wiederum mit einem geeigneten PWM-Treiber parallelgeschaltet werden, um einen mehrphasigen Abwärtswandler mit sehr hohem Strom zu realisieren. BMR510 Die Schaltung ist für einen Ausgangsspannungsbereich von 0,5 V bis 1,3 V und einen Eingangsspannungsbereich von 4,5 V bis 16 V ausgelegt und eignet sich ideal für den Einsatz mit dem BMR310. Die gesamte Gate-Ansteuerschaltung ist integriert, ebenso wie ein umfassender Überstrom- und Übertemperaturschutz. Messwerte können zur Fernüberwachung abgerufen werden. Die Schaltung ist mit anderen am Markt erhältlichen Komponenten kompatibel und nutzt die Z-Abmessung für eine Grundfläche von nur 10 mm x 9 mm x 7,6 mm Höhe. Im Gegensatz zu anderen Designs mit obenliegender Induktivität werden die Halbleiter der Leistungsstufe effizient von oben gekühlt.
Mit den Modulen BMR310 und BMR510, die beide von der Flex Power Designer Durch die Entwicklung einer Software hat das Unternehmen die glückliche Kombination eines nicht-isolierten Bus-Umrichters im Verhältnis-Stil in einer neuartigen Technologie und eines breitbandigen, aber flexiblen PoL-Umrichters erkannt und genutzt. Das Ergebnis ist eine elegante, wirtschaftliche und hocheffiziente Lösung für den Strombedarf von Rechenzentren. Ein wahrer Glücksfall.
