Synthetische Stromregelung Strom für IoT-Cloud-Systeme

Eine neue Art der Mehrphasenwandler auf dem Markt.
Eine neue Art der Mehrphasenwandler auf dem Markt.

Mehrphasenwandler haben sich in den letzten Jahren weiterentwickelt. Eine neue Art basiert auf einer synthetischen Stromregelung. Diese neue Regelungstechnik ermöglicht schnell schaltende und effiziente Stromversorgungen beispielsweise für Netzwerk- und Telekommunikationsanlagen.

Cloud-Dienste nehmen derzeit exponentiell zu und sorgen für erhebliche Fortschritte in Rechenzentren und bei Netzwerk- und Telekommunikationsanlagen. Im Internet der Dinge (IoT) sind bereits mehr Geräte mit IP-Adressen mit der Cloud verbunden, als es Menschen auf unserem Planeten gibt. Dieses Wachstum wirkt sich stark auf die Server, Speicher und Netzwerk-Switches aus, die eine ständig wachsende Datenmenge verarbeiten müssen. Die Infrastrukturausrüstung erreicht dabei hinsichtlich der Verarbeitungsleistung und der Bandbreite ihre Grenzen. Für Entwickler von Stromversorgungen besteht die größte Herausforderung darin, diese Ausrüstung effizient mit Strom zu versorgen und zu kühlen, während eine minimale Stromaufnahme gewährleistet bleibt. Entwickler müssen dabei eine Abwägung zwischen dem Platzbedarf der Stromversorgung auf dem Board und dem Thermal Management vornehmen – gerade bei den heute fortschrittlichen Prozessoren, ASICs und FPGAs.

Mehrphasenwandler für die IoT-Stromversorgung

Mit der zunehmenden Funktionsdichte der Endsysteme steigt auch die Rechenleistung, um diese Anforderungen erfüllen zu können. Diese Datenverarbeitungsfähigkeit wird in Rechenzentren bereitgestellt, in denen High-End-CPUs, digitale ASICs und Netzwerkprozessoren den Betrieb von Servern, Massenspeichern und Netzwerkanlagen gewährleisten. Die Daten werden über Telekommunikationsanlagen über das Netzwerk verteilt und am Transaktionspunkt über POS-Einrichtungen (Point of Sale), Desktop-Rechner oder Embedded-Computing-Systeme mit CPUs oder FPGAs umgesetzt.

All diese Geräte vereint, dass ihre digitale Datenverarbeitung ein ähnliches Stromaufnahmeprofil aufweist. Bei immer kleineren Prozessorgeometrien und höherer Transistorzahl erfordern Prozessoren heute höhere Ausgangsströme, die je nach ihrer Komplexität 100 A bis 400 A oder mehr erreichen können. Während sich dieser Trend seit Jahren fortsetzt, konnte sich die Branche durch die Umsetzung von Stromsparmodi bei digitalen Lasten anpassen. Einrichtungen lassen sich damit im Leerlauf stromsparend betreiben und können dann je nach Bedarf Spitzenleistungen bereitstellen. Das ist für das Strombudget des Gesamtsystems von Vorteil, stellt aber für Entwickler eine Herausforderung dar. Der volle Laststrom von zum Beispiel über 200 A muss bereitgestellt und thermisch gehandhabt werden. Stromversorgungen müssen dabei heute auf große Lastsprünge von über 100 A in weniger als einer Mikrosekunde reagieren, während der Ausgangsstrom innerhalb enger Grenzwerte genau eingehalten werden muss.

In Endsystemen kommt dafür als gängige Lösung ein Mehrphasen-DC/DC-Abwärtswandler zum Einsatz, um die erforderliche Leistungsumwandlung bereitzustellen – meist mit einem 1-V-Ausgang bei einem 12-V-Eingang. Um große Lastströme bereitzustellen, ist es einfacher, eine Mehrphasenlösung umzusetzen, bei der die Last über kleinere Stufen (Phasen) aufgeteilt wird, anstatt zu versuchen, sie über eine einzige Stufe bereitzustellen. Der Versuch, zu viel Strom mit einer Phase zu bewältigen, führt zu Herausforderungen beim Design der Magnetbauteile und FETs sowie beim Wärmemanagement (schließlich ist Leistung gleich I²R). Eine Mehrphasenlösung bietet einen hohen Wirkungsgrad, eine kleinere Größe und geringere Kosten als eine einzelne Stufe für hohe Ströme. Dieser Ansatz entspricht der technologischen Entwicklung, die mit den Endlasten einhergeht, da sich Multicore-CPUs die Arbeitslast teilen. Bild 1 beschreibt eine Mehrphasenlösung, die vier Phasen verwendet, um 150 A für eine CPU bereitzustellen.

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