{"id":38817,"date":"2020-03-03T14:18:00","date_gmt":"2020-03-03T20:18:00","guid":{"rendered":"https:\/\/flex.com\/resources\/power-architectures-a-direct-approach-is-more-efficient"},"modified":"2026-03-15T15:49:03","modified_gmt":"2026-03-15T20:49:03","slug":"power-architectures-a-direct-approach-is-more-efficient","status":"publish","type":"resource","link":"https:\/\/flex.com\/de\/resources\/power-architectures-a-direct-approach-is-more-efficient","title":{"rendered":"Energiearchitekturen: Ein direkter Ansatz ist effizienter"},"content":{"rendered":"
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\n\t\t\tFlex<\/a>\n\t\t\t<\/svg>\n\t\t\tRessourcen<\/a>\n\t\t\t<\/svg>\n\t\t\tEnergiearchitekturen: Ein direkter Ansatz ist effizienter<\/a>\n\t\t<\/div>\n\t\t

Energiearchitekturen: Ein direkter Ansatz ist effizienter<\/h1>\n\t\t\t\t
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\n\t\t\t\tVer\u00f6ffentlicht am
\n\t\t\t\t3. M\u00e4rz 2020\t\t\t<\/div>\n\t\t\t\t\t\t
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\n\t\t\t\t\t\t\t\t\t\t\t\t\t\t\t\t\t\t\t\t\t\t\t\t\t\t\t\tArtikel<\/span>\n\t\t\t\t\t\t\t\t\t\t\t\t\t\t\t\t\n\t\t\t\t\t\t\t\t\t\t\t\t\t\t\t\t\t\t\t\t\t\n\t\t\t\t\t\t\t\t\t\t\t\t\n\t\t\t\t\t\t\t\t\t\t\t\t\t\t\t\t\t\t\t\t\tKommunikation<\/a>\n\t\t\t\t\t\t\t\t\t\t\t\t\t\t\t\t\t\t\t\n\t\t\t\t\t\t\t\t\t\t\t\n\t\t\t\t\t\t\t\t\t\t\t\t\n\t\t\t\t\t\t\t\t\t\t\t\t\t\t\t\t\t\t\t\t\tStromversorgung f\u00fcr Rechenzentren<\/a>\n\t\t\t\t\t\t\t\t\t\t\t\t\t\t\t\t\t\t\t\n\t\t\t\t\t\t\t\t\t\t\t\n\t\t\t\t\t\t\t\t\t\t\t\t\n\t\t\t\t\t\t\t\t\t\t\t\t\t\t\t\t\t\t\t\t\tLeistung<\/a>\n\t\t\t\t\t\t\t\t\t\t\t\t\t\t\t\t\t\t\t\n\t\t\t\t\t\t\t\t\t\t\t\n\t\t\t\t\t\t\t\t\t\t\t\t\n\t\t\t\t\t\t\t\t\t\t\t\t\t\t\t\t\t\t\t\t\tLeistungsmodule<\/a>\n\t\t\t\t\t\t\t\t\t\t\t\t\t\t\t\t\t\t\t\n\t\t\t\t\t\t\t\t\t<\/div>\n\t\t\t<\/div>\n\t\t<\/div>\n\t\t\t<\/div>\n<\/div>\n\n\n\n
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Die Energiewandlung stellt Entwickler vor gro\u00dfe Herausforderungen, insbesondere in unserer kostenbewussten Welt. Sie m\u00fcssen nicht nur immer kompaktere L\u00f6sungen entwickeln, die auf kleinerem Raum mehr Leistung erzeugen, sondern diese L\u00f6sungen m\u00fcssen auch effizienter und kosteng\u00fcnstiger als fr\u00fchere Generationen sein.<\/em>
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Da viele OEMs ihren Wettbewerbsvorteil auf die Effizienz ihrer L\u00f6sungen gr\u00fcnden, ist die Erreichung dieser anspruchsvollen und mitunter widerspr\u00fcchlichen Ziele direkt mit dem Gesch\u00e4ftserfolg verkn\u00fcpft. Im Laufe der Jahre hat die Leistungselektronikindustrie im Bestreben nach h\u00f6herer Effizienz und niedrigeren Kosten verschiedene Architekturen entwickelt und eingesetzt.<\/em><\/p>\n\n\n\n

Die Direktwandlung bietet in mehreren Schl\u00fcsselbereichen Vorteile: h\u00f6here 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 verf\u00fcgbare Stromversorgungsl\u00f6sungen angewiesen sind, mehr Auswahl und Flexibilit\u00e4t verspricht.<\/em><\/p>\n\n\n\n

Vor vielen Jahren war die Arbeit f\u00fcr Entwickler deutlich einfacher, da die meisten Halbleiter nur eine einzige 5-V-Versorgung ben\u00f6tigten. Damals reichte eine zuverl\u00e4ssige und relativ saubere 5-V-Schiene aus, die alle Ger\u00e4te im System versorgen konnte. Die g\u00e4ngigste Architektur bestand aus einem zentralen Netzteil oder, in Systemen mit hohen Zuverl\u00e4ssigkeitsanforderungen, gegebenenfalls aus redundanten Netzteilen.<\/p>\n\n\n\n

In den 1990er und fr\u00fchen 2000er Jahren begannen sich die Verh\u00e4ltnisse zu \u00e4ndern, vor allem aufgrund der zunehmenden Verwendung von Logikbausteinen mit unterschiedlichen Betriebsspannungen. Da nun mehrere Versorgungsspannungen ben\u00f6tigt wurden und die Effizienz ein h\u00e4ufig diskutiertes Thema war, wurde ein neuer Ansatz eingef\u00fchrt. Wandler wurden anhand ihrer Gr\u00f6\u00dfe \u2013 Voll-, Halb-, Viertel- oder Achtel-Brick \u2013 definiert, und mehrere voneinander isolierte Wandler wurden eingesetzt, um den 48-V-Gleichstromzwischenkreis in die f\u00fcr die Halbleiter ben\u00f6tigten Spannungen umzuwandeln. <\/p>\n\n\n\n

Ein Jahrzehnt sp\u00e4ter (diese Zeitangabe ist nicht ganz eindeutig; dies geschah tats\u00e4chlich 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 \u2018Verh\u00e4ltnisumrichter\u2019 bezeichnet, da sie durch das Verh\u00e4ltnis ihrer Eingangs- und Ausgangsspannung charakterisiert werden konnten. Viele dieser IBCs waren zumindest teilgeregelt, um eine ausreichend stabile Spannung f\u00fcr den Einsatz mit anderen Ger\u00e4ten als Point-of-Load-Umrichtern (PoL) wie z. B. L\u00fcftern bereitzustellen. <\/p>\n\n\n\n

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 verk\u00fcrzt, die Entkopplungskapazit\u00e4t verringert und auch die Reaktion auf Lasttransienten verbessert wird. <\/p>\n\n\n\n

Riesige Datenmengen erh\u00f6hen die Nachfrage nach effizienteren Energiel\u00f6sungen.<\/h2>\n\n\n\n

In den letzten Jahren hat der Datenverkehr aufgrund des Booms mobiler Ger\u00e4te und insbesondere des vermehrten Konsums bandbreitenintensiver Videoinhalte deutlich zugenommen. Laut Ericsson werden sich diese Zahlen zwischen 2017 und 2022 voraussichtlich verzehnfachen.<\/p>\n\n\n\n

Gleichzeitig ist der Leistungsbedarf von Blade-Servern gestiegen und liegt mittlerweile \u00fcber 1 kW; Werte \u00fcber 3 kW werden in den n\u00e4chsten Jahren erwartet. W\u00e4hrend die Anzahl mobiler Ger\u00e4te rasant zunimmt, wird der enorme Anstieg der Rechenleistung und der Fokus auf Systemeffizienz vor allem durch den Datenbedarf von Big Data, KI, IoT-f\u00e4higen Ger\u00e4ten, autonomen Fahrzeugen und anderen Faktoren bedingt sein. <\/p>\n\n\n\n

Angesichts der bereits hohen und voraussichtlich weiter steigenden Energiepreise steigen auch die Betriebskosten f\u00fcr Energie kontinuierlich. Jedes Watt, das durch ineffiziente Energieumwandlung in W\u00e4rme umgewandelt wird, kostet Geld. Erschwerend kommt hinzu, dass die W\u00e4rme abgef\u00fchrt werden muss \u2013 dies erh\u00f6ht Gr\u00f6\u00dfe, Gewicht und Kosten der Systeme in Form von Systemk\u00fchlung und erfordert zudem leistungsst\u00e4rkere Klimaanlagen in den Geb\u00e4uden, deren Installation und Betrieb ebenfalls Kosten verursachen.<\/p>\n\n\n\n

Daher k\u00f6nnen selbst relativ geringe Effizienzgewinne bei der Leistungsumwandlung zu erheblichen Einsparungen bei Gr\u00f6\u00dfe und Kosten f\u00fcr Rechenzentrums- und Telekommunikationsbetreiber f\u00fchren.<\/p>\n\n\n\n

Direkte Leistungsumwandlung treibt die Effizienz an<\/h2>\n\n\n\n

Die zweistufige IBA-Umwandlung bietet zwar viele Vorteile, insbesondere hinsichtlich Kosten und Platzbedarf, geht aber mit einem geringeren Wirkungsgrad einher. Bis vor Kurzem \u00fcberwogen die anderen Vorteile der IBA den geringeren Wirkungsgrad, doch wie wir gesehen haben, verschieben h\u00f6here Leistungsstufen und steigende Energiekosten diese Gewichtung. <\/p>\n\n\n\n

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 f\u00fcr die Last umwandeln. Die Kombination dieser beiden Werte ergibt einen Gesamtwirkungsgrad von ca. 86,41 TP34T f\u00fcr einen IBA. Mit herk\u00f6mmlichen Technologien entspr\u00e4che 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. W\u00fcrde die 48-V-zu-12-V-Wandlungsstufe mit einem Wirkungsgrad von 981 TP34T Standard werden, w\u00fcrde ein 1-kW-Server weiterhin 137 W und ein 3,2-kW-Server 438 W verbrauchen. <\/p>\n\n\n\n

Moderne Leistungsstufenmodule k\u00f6nnen 48 V in einem einzigen Schritt auf 1 V umwandeln (Direktumwandlung) und erreichen dabei Wirkungsgrade von 91% oder h\u00f6her. In diesem Fall w\u00fcrde 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 \u2018nur\u2019 4,6 Wirkungsgradpunkte betr\u00e4gt, sind die Energieeinsparungen in modernen Rechenzentren mit Hunderten oder sogar Tausenden von Servern enorm und f\u00fchren zu einer signifikanten Senkung der Betriebskosten.<\/p>\n\n\n\n

Abbildung 1: Die direkte Konvertierung ist ein effizienterer Ansatz als die zweistufige IBA-Konvertierung.<\/em><\/p>\n\n\n\n

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Da sich die Leistungswandlungstechnologie seit der Einf\u00fchrung des IBA verbessert hat, werden derzeit Topologien entwickelt, die eine kompakte und effiziente direkte Wandlung vom 48-V-Bus auf Subvolt-Logikpegel erm\u00f6glichen. Diese modernen Bauelemente arbeiten mit hohen Frequenzen und bieten dadurch ein exzellentes Einschwingverhalten, typischerweise mit reduziertem Entkopplungskapazit\u00e4tsbedarf. Gleichzeitig sind sie in der Lage, mit den sehr niedrigen Tastverh\u00e4ltnissen zu arbeiten, die f\u00fcr die direkte Wandlung von 48 V auf etwa 1,0 V erforderlich sind.<\/p>\n\n\n\n

Die Direktumwandlung ist zwar ein wichtiger Trend in der Branche, doch die Dinge werden sich nicht \u00fcber Nacht \u00e4ndern. Die neuen Ger\u00e4te werden zumindest in absehbarer Zukunft neben herk\u00f6mmlichen zweistufigen Wandlungsverfahren angeboten. In dieser Zeit k\u00f6nnen Entwickler von Stromversorgungssystemen den optimalen Ansatz w\u00e4hlen \u2013 m\u00f6glicherweise sogar die Kombination beider Ans\u00e4tze in einer Hybridarchitektur, die die Vorteile beider Welten vereint.<\/p>\n\n\n\n

Neue Allianz beschleunigt Standardisierung der einstufigen Umr\u00fcstung<\/h2>\n\n\n\n

Das Vertrauen, dass die einstufige Wandlung ein wesentlicher Bestandteil der Stromversorgungsl\u00f6sungen der n\u00e4chsten Generation f\u00fcr Rechenzentren und Telekommunikationsinfrastruktur sein wird, ist so gro\u00df, dass sich vier der wichtigsten Akteure der Leistungsmodulindustrie zu einer neuen Allianz zusammengeschlossen haben, die sich ausschlie\u00dflich der F\u00f6rderung der Vorteile der direkten Wandlung widmet. <\/p>\n\n\n\n

Die Power Stamp Alliance (PSA) wurde Anfang dieses Jahres gegr\u00fcndet, und Flex ist Gr\u00fcndungsmitglied dieser Organisation. Das Hauptziel der PSA ist die Bereitstellung eines hersteller\u00fcbergreifenden Ansatzes f\u00fcr standardisierte Direktwandler-Leistungsmodule. Um dieses Ziel zu erreichen, hat die PSA Spezifikationen entwickelt, die die Abmessungen und Schnittstellenfunktionen f\u00fcr 100-A-Direktwandlermodule (bekannt als \u2018Power Stamps\u2019) definieren und es den PSA-Mitgliedsunternehmen erm\u00f6glichen, die elektrische Leistung zu bestimmen.<\/p>\n\n\n\n

Es gibt zwei Arten von Leistungsmodulen: Das Hauptmodul fungiert im Wesentlichen als \u2018Controller\u2019 und enth\u00e4lt die Steuerlogik, w\u00e4hrend die Satellitenmodule die ben\u00f6tigte Leistung liefern. Alle Module arbeiten mit direkter Wandlung und sind voneinander isoliert. <\/p>\n\n\n\n

Abbildung 2: Die PSA-Architektur basiert auf mehreren Direktumwandlungsmodulen <\/em><\/p>\n\n\n\n

\"\"<\/figure>\n\n\n\n

Auf Systemebene basiert die PSA-Architektur auf 100-A-Leistungsmodulen. Systeme k\u00f6nnen mit bis zu sechs Modulen (einem Hauptmodul und bis zu f\u00fcnf Satellitenmodulen) konfiguriert werden und erreichen damit eine Leistungsf\u00e4higkeit von 600 A. Sinkt der Strombedarf im Betrieb, schalten integrierte Steuerungen die Satellitenmodule automatisch ab und gew\u00e4hrleisten so einen optimalen Wirkungsgrad \u00fcber einen weiten Strombereich von 100 A bis 600 A.<\/p>\n\n\n\n

Zusammenfassung<\/h2>\n\n\n\n

Angesichts der stetig wachsenden Datenmengen, die verarbeitet, \u00fcbertragen und gespeichert werden m\u00fcssen, und der gleichzeitig steigenden Energiekosten r\u00fcckt die Effizienz der Stromumwandlung st\u00e4rker 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 f\u00fcr anspruchsvolle Anwendungen, da sie gegen\u00fcber Verfahren wie IBA zahlreiche Vorteile bietet. Tats\u00e4chlich 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 Abw\u00e4rme sinkt der Bedarf an W\u00e4rmemanagement, was Platz und Gewicht spart \u2013 und durch den Wegfall des IBC wird zus\u00e4tzlich Platz gespart. <\/p>\n\n\n\n

W\u00e4hrend die Einf\u00fchrung 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 unabh\u00e4ngigen Anbietern bereits in der Anfangsphase verf\u00fcgbar sind, sodass Kunden den neuen Ansatz mit minimalem kommerziellen Risiko \u00fcbernehmen k\u00f6nnen. <\/p>\n\n\n

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