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Power Delivery Networks

Stromversorgungsarchitektur am Scheideweg

Leistungen bisherige Versorgungsnetzwerk (Power Deelivery Networks) steigen und ein Blick auf neuartige Lösungen ist zu überlegen
© pathdoc | Shutterstock

In vielen Industriezweigen steigen die Leistungen und etliche Anwender überlegen, ihr bisheriges Versorgungsnetz entsprechend zu ändern. Allerdings sollten sie ihren Blick über traditionelle Architekturen und Technologien hinaus auf neuartige Lösungen richten.

Jedes elektronische Gerät hat ein Versorgungsnetzwerk (Power Delivery Network, PDN), das aus Kabeln, Stromschienen, Steckverbindern, Leiterbahnen für die Ströme auf den Leiterkarten sowie AC-DC- und DC-DC-Wandlern und Reglern besteht. Die Leistungsfähigkeit eines PDNs bestimmt sich hauptsächlich durch die Gesamtarchitektur. Dazu gehören ein Verteilernetz für Wechsel- oder Gleichstrom, spezifische Werte für Spannungen sowie Ströme und wie oft die Spannung transformiert und geregelt werden muss.

 

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Dreiphasiges PDN für 12 V
Bild 1. Dreiphasiges PDN für 12 V.
© Vicor

Über die Jahrzehnte haben verschiedene Industriezweige viele PDNs standardisiert. Im Verteidigungs- und Luftfahrtbereich werden Busspannungen von 270 V und 28 V eingesetzt, –48 V in der Kommunikationsinfrastruktur und 12 V (Bild 1) sind nicht nur in Fahrzeugen seit Langem zu finden, sondern auch bei Servern und Industrieapplikationen. Dadurch wurden für diese Standard-PDNs Industriezweige mit Milliardenumsätzen aufgebaut.

Einige schnell wachsende Zweige benötigen jedoch mehr Leistung. Darunter fallen beispielsweise Enterprise- und High-Performance-Computing, Netzwerk-Infrastrukturen, autonomes Fahren sowie andere Transportanwendungen. Diese stellen komplexe Herausforderungen an das Design, solange dessen PDN auf 12 V basiert. Durch den Wechsel zu neuen PDNs mit 48 V, 400 V und 800 V ergeben sich neue Möglichkeiten, die Leistungsfähigkeit durch nicht traditionelle Power-Delivery-Architekturen und -Technologien deutlich zu verbessern.

Allerdings ist die Einführung höherer Spannungen an sich schon eine Herausforderung, und so gibt es nachvollziehbare Gründe, nicht wechseln zu wollen. Der Einsatz von 12-V-Systemen hat eine lange und erfolgreiche Geschichte und ein mächtiges Ökosystem mit einer starken Lieferkette, die sich über Jahrzehnte entwickelt hat.

Entstehungsgeschichte von 48 V

Die Telekommunikationsindustrie setzt seit Jahrzehnten 48 V als Busspannung auf der Backplane ein, da diese Spannung die beste Option ist:

  • Es handelt sich um eine Schutzkleinspannung (Safety Extra Low Voltage, SELV), was ein geringes Risiko für einen gefährlichen Stromschlag bedeutet.
  • Drähte mit geringem Querschnitt können ohne große Spannungsabfälle den Strom über große Distanzen leiten.

Die Anforderung, ständig betriebsbereit zu sein, bewog die Industrie, große Bänke mit 12-V-Bleibatterien in Reihe zu schalten, um 48 V zu liefern. Mit dem Aufkommen von Internet, Laptop und Mobiltelefon stieg die Komplexität der Netzwerkstruktur für die Kommunikation, sodass das 48-V-PDN die vielen, neuen und komplexe Lasten versorgen musste, die aus Arrays von Netzwerkprozessoren, Speichern und Steuersystemen bestanden. Dies erwies sich als Herausforderung, da der Großteil der verfügbaren Technologien auf die 12-V-Fähigkeiten von halbleiterbasierten Wandlern und Reglern ausgerichtet war, die für diese Betriebsspannung optimiert waren.

Batteriegespeistes PDN für –48 V
Bild 2. Batteriegespeistes PDN für –48 V.
© Vicor

Um diese Herausforderung, die Umsetzung der Busspannung von 48 V auf 12 V zu lösen (Bild 2), wurde die Intermediate-Bus-Architektur (IBA) eingeführt. Sie entwickelte sich rasch zum De-facto-Standard in Kommunikations- und Netzwerk-Infrastrukturen. Intermediate-Bus-Wandler (IBCs) sind isolierte, ungeregelte Wandler mit einem festen Übersetzungsverhältnis von 1:4 und wurden von verschiedenen Firmen entwickelt und in einem Open-Frame-Gehäuse produziert, das den Pinout-Standards der Industriekonsortien DOSA und POLA entsprach. Damit war Multi-Sourcing möglich.

Die galvanische Trennung wurde nicht aus Sicherheitsgründen (SELV) benötigt, denn um galvanische Korrosion zu verhindern, war der Pluspol der Batterien mit Masse verbunden, sodass sich eine negative 48-V-Spannung ergab. Durch den Einsatz eines isolierten Wandlers mit festem Übersetzungsverhältnis ließen sich aus den –48 V eine positive Spannung von +12 V für die nachgeschalteten, nicht isolierten Point-of-Load-Regler (PoL) erzeugen.Moderne Applikationen wie künstliche Intelligenz (KI) in Datenzentren bestimmen die Abkehr von den 12 V hin zu PDNs mit 48 V mit neuen Architekturen. Der deutliche Anstieg an Leistung für Prozessoren und den entsprechenden Server-Racks hat einfach die Möglichkeiten der 12 V und der IBA überschritten.

Neue gesetzliche Vorgaben sowie Standards für den CO2-Ausstoß von Fahrzeugen waren ein Katalysator in der Automobilindustrie für die Erforschung der Elektrifizierung von Fahrzeugen. Dadurch kamen neue 48-V-Batterien auf, die neue Mild-Hybrid-Antriebsstränge sowie Sicherheits- und Entertainment-Systeme unterstützen.

Durch die höheren Leistungsanforderungen in Systemen sind PDNs basierend auf 380 V oder 48 V komplexer, da viele Industriezweige weiterhin die bewährten 12 V im Bereich der Last beibehalten wollen. Weitere Herausforderungen gibt es durch neue Energiespeicher mit hoher Spannung, z. B. 800-V-Batterien in reinen Elektro- oder High-Performance-Fahrzeugen.

In diesen neuen Systemen und Applikationen läst sich der Leistungspfad in folgende drei Elemente unterteilen:

  • Zentrale Wandlung auf 48 V
  • Zwischenbus (Intermediate Bus) mit 48 V und dann Wandlung auf 12 V, manchmal auch mit Regelung
  • Geregelte Point-of-Load-Wandler (PoL) von 12 V sowie 48 V.

 


  1. Stromversorgungsarchitektur am Scheideweg
  2. Zentrale Energieversorgung

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