Es de sobra conocido que los centros de datos modernos requieren niveles cada vez mayores de potencia y eficiencia, pero lo que no está tan claro es cuál es el mejor enfoque para maximizar esas dos métricas dentro de un sistema de conversión de energía.
El estándar de mercado actual para el diseño de sistemas de alimentación integrados es una arquitectura de riel de 48 V a núcleo de dos etapas que utiliza un convertidor de bus intermedio (IBC), que reduce el voltaje del rack/barra colectora (típicamente 48–54 V) a un bus intermedio. Este se alimenta luego a los módulos reguladores de voltaje (VRM) para generar los bajos voltajes requeridos por los procesadores como se detalla en las especificaciones como ORv3 de OCP.
El uso de esta arquitectura de dos etapas significa que se requiere menos cobre para la misma potencia suministrada a nivel de rack, al tiempo que permite rutas de alta corriente más cortas a nivel de placa/paquete. El enfoque puede mejorar la eficiencia de extremo a extremo, simplificar la distribución cerca de la carga y proporcionar un ahorro de espacio significativo. Si desea obtener más información, este blog Explora el tema en detalle.
Para minimizar las pérdidas, reducir los costos y simplificar el diseño, un IBC de relación fija no regulado (también conocido como DCX o transformador de CC) suele ser una excelente opción para estos sistemas. Esto es especialmente cierto cuando el VRM de segunda etapa ya gestiona una regulación dinámica precisa en la carga, con eficiencias máximas reportadas iguales o superiores a 98% (98,4% a 4:1 y 98,0% a 8:1, como se destaca en este Estudio VRM de dos etapas de 48 V). Adicional Investigación del IEEE Se han evaluado explícitamente las opciones de bus intermedio de relación fija 4:1 y 8:1 en arquitecturas VRM de dos etapas de 48 V, lo que refuerza la importancia de esta compensación en el suministro de energía de los centros de datos de IA.
¿Qué relación de potencia es la mejor para la conversión?
Lamentablemente, no existe una única relación IBC "óptima" para todos los diseños de alimentación de centros de datos. Las diferentes relaciones representan distintos puntos de optimización en cuanto a pérdidas de distribución, limitaciones de componentes magnéticos/paquetes, puntos de operación de VRM y objetivos transitorios. Dicho esto, las relaciones IBC más utilizadas actualmente son 4:1 y 8:1, que proporcionan voltajes de salida de 13,5 V y 6,75 V a partir de una fuente de alimentación nominal de 54 V. Otras relaciones (5:1, 6:1, 10:1) también pueden ajustarse a las opciones de topología de VRM o a los objetivos transitorios del bus intermedio, pero su uso puede implicar limitaciones en cuanto a disponibilidad y suministro.
¿Cuál es la diferencia entre los contenedores IBC 4:1 y 8:1?
Un factor determinante para elegir entre una relación de 4:1 u 8:1 es la pérdida de distribución entre el IBC y la segunda etapa. Las pérdidas óhmicas aumentan con I2R (corriente al cuadrado por resistencia). Con una potencia de carga fija, duplicar la tensión del bus intermedio reduce a la mitad la corriente, disminuyendo la pérdida resistiva en aproximadamente 4 veces para la misma resistencia de interconexión. Con la salida de mayor tensión de 13,5 V de un IBC 4:1, la corriente del bus es aproximadamente la mitad que la de un IBC 8:1 para la misma potencia suministrada, lo que reduce significativamente las pérdidas. Las corrientes más bajas también reducen I2Calefacción por resistencia eléctrica, simplificando la gestión térmica.
Con estas menores pérdidas de distribución, un bus intermedio 4:1 puede ubicarse más lejos del VRM, liberando espacio para componentes y cableado cerca del procesador. Dado que el VRM define la interfaz eléctrica y mecánica con la carga, las compensaciones entre ubicación y pérdidas se evalúan generalmente en relación con el VRM, en lugar de con el bus intermedio en sí.
Otro aspecto a considerar es la densidad de potencia en función de los niveles de corriente. Un convertidor 8:1, con su mayor capacidad de corriente, aumenta el tamaño de los dispositivos por vatio de potencia de salida. Un convertidor 4:1 suele ofrecer una mayor densidad de potencia, por lo que debería considerarse para los requisitos de potencia más elevados, en comparación con un 8:1, que puede ser más adecuado para requisitos de potencia más bajos.
¿Cómo afecta la tensión de entrada del VRM (6,75 V frente a 13,5 V) a la segunda etapa? Una tensión de bus intermedio más alta reduce las pérdidas por conducción al disminuir la corriente, pero aumenta las pérdidas por conmutación debido a la mayor tensión a la que se somete el dispositivo. Dado que estos efectos se contraponen, la eficiencia general del VRM no depende únicamente de la tensión del bus intermedio; está más influenciada por la topología del VRM, la tecnología del dispositivo y el punto de funcionamiento elegidos.
Finalmente, es necesario considerar la estabilidad del bus: los transitorios de AI requieren un control de impedancia robusto. Voltajes de bus más bajos (logrados con un IBC 8:1) pueden simplificar la regulación del VRM, pero requieren mayor capacitancia. En la práctica, se suele seleccionar una relación 4:1 cuando se requiere una corriente de bus intermedio más baja para reducir las pérdidas de cobre/plano y el calentamiento I²R, o cuando se desea mayor distancia/flexibilidad de colocación entre el IBC y el VRM. Una relación 8:1 podría ser más apropiada si se desea un voltaje de bus intermedio más bajo como parámetro de optimización principal y se está dispuesto a dimensionar el desacoplamiento del bus intermedio para la corriente de bus más alta durante los cambios rápidos de carga.
Comparación simplificada de contenedores IBC de relación fija 4:1 y 8:1
IBC 4:1
8:1 IBC
Salida de voltaje más alta
Salida de voltaje más baja
Salida de corriente más baja
Mayor corriente de salida
Menores pérdidas óhmicas, lo que mejora la eficiencia energética.
Mayores pérdidas óhmicas
Menores pérdidas térmicas, lo que simplifica la gestión térmica.
Consideraciones adicionales: – Mejoras en el VRM bajo cargas extremas – Regulación simplificada del VRM
¿Cuáles son algunos puntos de partida útiles para el Código Internacional de Construcción (IBC)?
Ante los numerosos desafíos técnicos que deben resolverse, los ingenieros de sistemas de energía suelen utilizar módulos IBC estándar, en lugar de diseñar su sistema desde cero con componentes discretos.
Por ejemplo, los módulos de alimentación Flex ofrecen el BMR316, que es un IBC no aislado y no regulado con una relación fija de 4:1. El BMR316 proporciona 1 kW de potencia continua y 2,8 kW de potencia pico con eficiencia mejorada: con una tensión de entrada de 54 V, la eficiencia del módulo es tan alta como 97,7% con una carga de 50%.
Alternativamente, los diseñadores pueden elegir la BMR323, que es otro IBC no aislado y no regulado, pero con una relación fija de 8:1. Su voltaje de salida varía de 5 V a 7,5 V, lo que puede ayudar a optimizar la eficiencia general del sistema cuando se utiliza junto con soluciones de suministro de energía vertical (VPD) y VRM de segunda etapa, como el BMR510.
¿Cómo pueden ayudar las simulaciones de diseño?
Por supuesto, la elección entre un IBC 4:1 y uno 8:1 rara vez se basa únicamente en las curvas de eficiencia de la hoja de datos. En los racks de IA de alta densidad, la simulación a nivel de sistema se ha convertido en una parte esencial de la selección de la arquitectura.
Diseñador de energía Flex, Entre otras herramientas de software, permite a los ingenieros de diseño de potencia modelar la ruta de potencia integrada completa (48 V → IBC → VRM) y comparar implementaciones 4:1 y 8:1 mediante el análisis de la distribución de pérdidas, la densidad de corriente del bus intermedio, la desviación transitoria y el rendimiento térmico bajo perfiles de carga de trabajo realistas. El software también admite la configuración del sistema y el cálculo de la eficiencia en toda la cadena de potencia, incluyendo la monitorización y el control de dispositivos compatibles que no son Flex a través de PMBus.
¿Cuál es la conclusión sobre los índices de conversión?
La mejor relación de conversión es una cuestión compleja a nivel de sistemas, no una simple pregunta de opción múltiple. Elegir entre 4:1 y 8:1 no se trata de qué relación es "mejor".“
En ambos casos, un IBC de relación fija es una excelente opción para lograr la eficiencia, la densidad de potencia y la confiabilidad requeridas en los racks modernos de 48 V. A partir de ahí, evalúe cómo la tensión del bus intermedio seleccionada se ajusta a los objetivos de rendimiento transitorio, las pérdidas de cobre en la PCB, la densidad térmica y el rango de optimización del regulador de segunda etapa.
No se trata de qué enfoque es mejor. para todos, Se trata de qué enfoque es mejor. para ti.
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