La conversión de energía es un área compleja para los diseñadores, especialmente en nuestro mundo donde los costos son un factor crucial. No solo se enfrentan al reto de diseñar soluciones cada vez más compactas, que permitan obtener mayor potencia en un espacio reducido, sino que además estas soluciones deben ser más eficientes y costar menos que las de generaciones anteriores.
Dado que muchos fabricantes de equipos originales basan su ventaja competitiva en la eficiencia de sus soluciones, el cumplimiento de estos objetivos, a veces complejos y contradictorios, está directamente relacionado con el éxito empresarial. A lo largo de los años, en un intento por lograr una mayor eficiencia y menores costos, la industria de la electrónica de potencia ha desarrollado y utiliza múltiples arquitecturas.
Existen varias áreas clave en las que la conversión directa ofrece ventajas: mayor eficiencia de conversión, menor pérdida en la distribución de energía, ahorro de espacio en la placa y cumplimiento con el estándar Open Rack V2.0. En este artículo técnico, Flex se centrará en la eficiencia y analizará las arquitecturas de alimentación más avanzadas, así como una nueva organización que promete ofrecer mayor variedad y flexibilidad a los fabricantes de equipos originales (OEM) que dependen de soluciones de alimentación eficientes y de libre acceso.
Hace muchos años, la vida de los diseñadores era mucho más sencilla, ya que la mayoría de los semiconductores requerían una única fuente de alimentación de 5 V. En aquel entonces, lo único que se necesitaba de una fuente de alimentación era un riel de 5 V fiable y relativamente limpio que pudiera suministrarse a todos los dispositivos del sistema. La arquitectura más común consistía en una única unidad de alimentación central (PSU) o, en sistemas que requerían alta fiabilidad, posiblemente una configuración de PSU redundante.
En la década de 1990 y principios de la de 2000, las cosas empezaron a cambiar, impulsadas principalmente por los dispositivos lógicos que operaban con diferentes voltajes. Dado que ahora se necesitaban múltiples líneas de alimentación y la eficiencia era un tema recurrente, se introdujo un enfoque diferente. Los convertidores se definían por su tamaño (de ladrillo completo, medio, cuarto u octavo) y se utilizaban varios convertidores aislados para transformar el bus de CC de 48 V a los voltajes requeridos por los semiconductores.
Una década después (esta cronología es ambigua; esto ocurrió también después del cambio de siglo), se propuso la Arquitectura de Bus Intermedio (IBA), que se popularizó en numerosas aplicaciones, como comunicaciones de datos, centros de datos y telecomunicaciones. Uno de los objetivos principales de este enfoque era centralizar el aislamiento en un único convertidor de bus, reduciendo así el tamaño de los múltiples convertidores aislados. Algunos de estos convertidores de bus intermedio (IBC) también se conocían como ‘convertidores de relación’, ya que se caracterizaban por la relación entre sus tensiones de entrada y salida. Muchos de estos IBC estaban al menos semi-regulados para proporcionar una tensión suficientemente estable para su uso con dispositivos distintos de los convertidores de punto de carga (PoL), como los ventiladores.
Como su nombre indica, los convertidores PoL se colocan físicamente cerca de la carga, normalmente un microprocesador, FPGA, ASIC, memoria u otro circuito integrado digital, para minimizar el ruido y reducir las pérdidas acortando la ruta de baja tensión y alta corriente, reducir la capacitancia de desacoplamiento y también para mejorar la respuesta a los transitorios de carga.
El gran volumen de datos aumenta la demanda de soluciones energéticas más eficientes.
En los últimos años, el tráfico de datos ha aumentado significativamente debido al auge de los dispositivos móviles y, en particular, al incremento del contenido de vídeo de alto ancho de banda. Según Ericsson, se prevé que estas cifras se multipliquen por diez entre 2017 y 2022.
Al mismo tiempo, la potencia requerida por los servidores blade ha aumentado y ahora supera 1 kW, esperándose que en los próximos años alcance niveles superiores a 3 kW. Si bien el número de dispositivos móviles ha crecido a un ritmo vertiginoso, el enorme incremento en la capacidad de procesamiento y el enfoque en la eficiencia de los sistemas surgirán principalmente como resultado de los requisitos de datos de Big Data, IA, dispositivos habilitados para IoT, automóviles autónomos, entre otros factores.
Con los precios de la energía ya elevados y con la previsión de que sigan subiendo, los costes operativos de la energía también continúan aumentando. Cada vatio de potencia que se convierte en calor debido a una conversión ineficiente supone un coste. Peor aún, hay que gestionar ese calor, lo que aumenta el tamaño, el peso y el coste de los sistemas en forma de refrigeración integrada, y también requiere sistemas de aire acondicionado más potentes en los edificios, cuya instalación y funcionamiento también suponen un coste.
Como resultado, incluso una mejora relativamente pequeña en la eficiencia de la conversión de energía puede generar importantes ahorros de tamaño y costes para los centros de datos y los operadores de telecomunicaciones.
La conversión directa de energía aumenta la eficiencia.
Si bien el uso del sistema IBA de conversión en dos etapas ofrece numerosas ventajas, como ahorro de costes y espacio, también repercute en la eficiencia. Hasta hace poco, las demás ventajas del IBA compensaban la menor eficiencia, pero, como hemos visto, los mayores niveles de potencia y el aumento de los costes energéticos están cambiando el equilibrio de esta decisión.
Normalmente, un IBC de 48 V a 12 V (4:1) ofrece eficiencias de alrededor de 96%, y un convertidor PoL puede convertir los 12 V en 1 V para la carga con una eficiencia de 90%. La combinación de estos dos valores da una eficiencia de conversión global de alrededor de 86,4% para un IBA. Con tecnologías anteriores, esto equivaldría a una pérdida de potencia de alrededor de 157 W para un servidor de 1 kW, y un servidor que consume alrededor de 3,2 kW tendría una pérdida de potencia de alrededor de medio kilovatio (500 W). Si la etapa de conversión de 48 V a 12 V con una eficiencia de 98% se generalizara, un servidor de 1 kW seguiría disipando 137 W, y un servidor de 3,2 kW disiparía 438 W.
Los módulos de potencia de una sola etapa actuales son capaces de convertir 48 V a 1 V en un solo paso (lo que se conoce como "conversión directa"), alcanzando eficiencias de 91% o superiores. En este caso, la placa del servidor de 3,2 kW generaría pérdidas de potencia de tan solo 315 W, una reducción de 37%, o 185 W de potencia residual ahorrada. Si bien la mejora es de "solo" 4,6 puntos de eficiencia, en los centros de datos modernos con cientos o incluso miles de servidores, el ahorro de energía es enorme, lo que se traduce en reducciones significativas de los costos operativos.
Figura 1: La conversión directa es un método más eficiente que la conversión en dos etapas de IBA.
Gracias a las mejoras en la tecnología de conversión de energía desde la aparición de la IBA, actualmente se están desarrollando topologías que permiten una conversión directa, compacta y eficiente desde el bus de 48 V a niveles lógicos subvoltios. Estos dispositivos modernos operan a altas frecuencias para ofrecer una excelente respuesta transitoria, generalmente con una capacitancia de desacoplamiento reducida, y son capaces de funcionar con los ciclos de trabajo muy bajos necesarios para convertir directamente 48 V a aproximadamente 1,0 V.
Si bien la conversión directa representa una tendencia clave para la industria, los cambios no se producirán de la noche a la mañana. Los nuevos dispositivos se ofrecerán junto con los métodos convencionales de conversión en dos etapas, al menos en un futuro próximo. Durante este tiempo, los diseñadores de sistemas de energía podrán elegir la mejor opción, que podría ser combinar ambos métodos en una arquitectura híbrida que ofrezca lo mejor de ambos mundos.
Una nueva alianza acelera la estandarización de la conversión de una sola etapa.
Tal es la confianza en que la conversión en una sola etapa constituirá una parte importante de las soluciones de energía de próxima generación para centros de datos e infraestructura de telecomunicaciones, que cuatro de los principales actores de la industria de módulos de energía se han unido para formar una nueva alianza dedicada exclusivamente a promover los beneficios de la conversión directa.
La Power Stamp Alliance (PSA) se formó a principios de este año, y Flex es miembro fundador de esta organización. El objetivo principal de la PSA es ofrecer un enfoque multisectorial para los módulos de potencia de conversión directa estándar. Para lograr este objetivo, la PSA ha desarrollado especificaciones que definen el tamaño y las funciones de interfaz para los módulos de conversión directa de 100 A (conocidos como "power stamps"), lo que permite a las empresas miembro de la PSA determinar su rendimiento eléctrico.
Existen dos tipos de módulos de alimentación: el módulo principal es esencialmente el "controlador" y contiene la lógica de control, mientras que el módulo satélite suministra energía según sea necesario. Todos los módulos realizan una conversión directa y están aislados.
Figura 2: La arquitectura PSA se basa en múltiples módulos de conversión directa.
A nivel de sistema, la arquitectura PSA se basa en transformadores de potencia de 100 A, y los sistemas pueden configurarse con hasta seis transformadores (uno principal y hasta cinco satélites), lo que les confiere una capacidad de 600 A. Si la demanda de corriente disminuye durante el funcionamiento, los controles integrados permiten la desactivación automática de los transformadores satélite, garantizando así niveles óptimos de eficiencia en un amplio rango de corriente, desde 100 A hasta 600 A.
Resumen
Debido al volumen cada vez mayor de datos que deben procesarse, transmitirse y almacenarse, junto con el aumento de los costos de la energía, la eficiencia de la conversión de potencia está acaparando la atención más que nunca. Gracias al desarrollo continuo y las mejoras tecnológicas, la conversión directa de la tensión del bus a la tensión de carga es ahora una opción viable, y muchos en la industria la consideran el futuro en aplicaciones exigentes debido a las mejoras con respecto a técnicas como IBA. De hecho, la conversión directa aumenta la eficiencia del proceso de conversión y reduce significativamente las pérdidas en todo el sistema al distribuir 48 V en lugar de 12 V. Como resultado directo de una menor generación de calor residual, se reducen las necesidades de gestión térmica, ahorrando espacio y peso, y se logra un mayor ahorro de espacio al prescindir de un IBC.
Si bien la adopción de nuevas arquitecturas suele ser lenta debido a la falta de fuentes alternativas, la conversión directa promete una tasa de adopción mucho más rápida, lo que garantiza que los productos interoperables de varios proveedores independientes estarán disponibles en las primeras etapas, lo que permitirá a los clientes adoptar el nuevo enfoque con un riesgo comercial mínimo.