Digital Power Dynamische Optimierung der Versorgungsspannung

Digital Power und Power Management ermöglichen eine einfache dynamische Optimierung der Spannung, die von einem Master- DC/DC-Wandler an verschiedene POL-Regler bereitgestellt wird. Die Optimierung des Wandlerwirkungsgrades während des Betriebs und die Anpassung der Intermediate-Busspannung an die Lastbedingungen sind nur zwei der vielen Möglichkeiten, die durch Digital Power möglich sind.

Das Dynamic-Bus-Voltage-Verfahren (DBV) wird als bedeutender Fortschritt im Bereich der Informations- und Kommunikationstechnik (ITK) angesehen. Entwickler wollen den Energiebedarf auf Board-Ebene senken, um ihre Systeme umweltfreundlicher zu machen - sowohl bei hoher als auch niedriger Last, was dem Datenverkehrsaufkommen entspricht. Stromsparende Halbleiterbausteine alleine reichen nicht, um den Energiebedarf zukünftiger Netzwerke wirksam zu verringern. Neueste Überwachungs- und Regelungsverfahren auf dem Board tragen aber wesentlich dazu bei, die Energieaufnahme auf Board-Ebene um drei bis zehn Prozent zu senken - und zwar mit Hilfe fortschrittlicher DBV-Architekturen. Dabei gilt: Wenn 1 W auf Board-Ebene eingespart wird, führt dies zu einer Einsparung von 2 bis 3 W auf Systemebene.

Energie und Umwelt

Die Welt wird zunehmend abhängig von IKT: die Nachfrage nach mehr Online-Diensten, schnelleren Netzwerken und schnellerer Datenverarbeitung sowie mehr Speicherplatz steigt stetig. Betrachtet man nur einen Teil der Nachfrage, stieg die Zahl der weltweiten Internetnutzer in den letzten fünf Jahren erheblich an: mehr als eine Milliarde Nutzer im Jahr 2006; zwei Milliarden gegen Mitte 2011 und mehr als 2,4 Milliarden Anwender gegen Mitte 2012. Und es gibt noch genügend Spielraum für die IKT-Erweiterung bei Unternehmen, Regierungen und Behörden, genauso wie in der Gesellschaft im Allgemeinen sowie in den großen entwickelten Industrienationen. Diese Nachfrage treibt den Ausbau der IKT-Infrastruktur in rechenintensiven Umgebungen voran, einschließlich den Auf- und Ausbau riesiger Rechenzentren auf der ganzen Welt.

Ein starkes Umweltargument bezieht sich auf die Gesamtenergieaufnahme für die Verfügbarkeit all dieser vernetzten Verarbeitungskapazitäten, um Telearbeit zu ermöglichen und den Aufwand für Reisen und Pendeln zu verringern, zusätzlich zu vielen anderen Diensten. Aber es gibt immer noch Bedenken am direkten Umwelteinfluss der schnell wachsenden EDV-Einrichtungen und Infrastrukturen, welche die Cloud bestimmen. Der im September 2008 veröffentlichte DG-INFSO-Report (Directorate General - Information Society) der Europäischen Kommission schätzt, dass europäische Telekommunikationsanbieter für ihre Netzwerke im Jahr 2005 einen Gesamtenergiebedarf von 14,2 TWh hatten, der 2010 auf 21,4 TWh stieg und im Jahr 2020 an die 35,8 TWh reicht - vorausgesetzt, dass kein umweltfreundliche Netzwerktechnik zum Einsatz kommt.

Wide Area Netzworks (WANs) erfordern massive parallele Datenverarbeitung, um eine beliebige Anzahl von Teilnehmern gleichzeitig zu bedienen. Der Netzwerkverkehr kann dabei stark variieren, und naturgemäß erwarten Unternehmen und Endanwender, dass diese Dienste reibungslos und über weltweite Netzwerke hinweg funktionieren. Daten- und Telekommunikations-EDV-Racks enthalten eine Vielzahl ähnlicher Boards, von denen einige sogar redundant sind, um Sicherheit bei Hardware-Ausfällen zu bieten. Jedes Board ist mit modernsten Logikbausteinen bestückt, um den Datendurchsatz zu bewältigen und kurze Reaktionszeiten zu garantieren, was die Kanalzahl pro Flächeneinheit weiter erhöht.

Die Intermediate Bus Architecture (IBA)

Das Stromversorgungskonzept, das heute im IKT-Markt zunehmend zum Einsatz kommt, ist die Intermediate Bus Architecture (IBA), die 2003 standardisiert wurde. Das IBA-Modell unterscheidet sich von der Distributed Power Architecture (DPA), die aus mehreren isolierten DC/DC-Wandlern auf jedem Board besteht, welche die -48-V(DC)-Spannung auf geeignete Werte für die Lastschaltkreise herunterwandelten. Je nach Bedarf wurden einfach weitere Regler in Daisy-Chain-Anordnung hinzugefügt. Während die DPA sich immer noch für kleine Anwendungen eignet, die über 24-V(DC)-Quellen versorgt werden und in einigen Industriezweigen noch beliebt sind, würden sich damit bei einer effizienten und direkten Abwärtswandlung von -48 V auf Logik-Versorgungsspannungen, wie zum Beispiel 3,3 V oder weniger, Probleme ergeben. Isolierte DC/DC-Wandler sind zudem teurer und weniger effizient als nicht isolierte Wandler.

Heute dominiert die IBA in der Telekommunikation und in vielen anderen Bereichen, in denen hohe Verfügbarkeit gefordert ist. Dies trifft z.B. auf Micro-TCA zu, deren Ursprung in der Telekommunikation liegt, die aber heute auch in kleinen, hochzuverlässigen Systemen in der industriellen Prozesssteuerung zum Einsatz kommt. Die Architektur verwendet Intermediate Bus Converters (IBCs), um eine traditionelle 48-V--Verteilerscheine, wie sie in der Daten-/Telekommunikation zum Einsatz kommt, auf statische 12 V herunter zu wandeln. Diese erste 12-V-Konvertierung speist eine Reihe nicht isolierter Point-of-Load-Gleichspannungswandler (POL), welche die endgültigen Lastspannungen für die IC-Logikversorgung bei 3 V oder darunter bereitstellen (Bild 1).

Zwei Abwärtswandlungsstufen -bieten die Möglichkeit, eine optimale Balance zwischen der Intermediate-Busspannung, welche die POLs versorgt, und den Lastströmen, die über die POLs geliefert werden, zu erhalten. Dies ist entscheidend, um maximalen Wirkungsgrad bei der Leistungswandlung auf Systemebene zu erzielen. Die Wahl von 12 V erfolgte, um sicherzustellen, dass die Spannung hoch genug ist, um die gesamte erforderliche Leistung bereitzustellen, die vom Board und der Last bei hohem Datenaufkommen benötigt wird. Dieser Ansatz ist jedoch sehr ineffizient, wenn nur ein geringes Datenaufkommen, also wenig Last, vorhanden ist.