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48-V-Stromversorgungen für Datacom-Applikationen

Enger tolerierte Nominalspannung senkt Kosten

29. September 2015, 08:00 Uhr   |  Von Chester Firek, Senior Product Marketing Manager bei Vicor


Fortsetzung des Artikels von Teil 1 .

Einsparungen bei SELV

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Leistungsdichte für verschiedene Wandler mit 48-V-Eingang und 12-V- oder 1,x-V-Ausgang

Einsparungen bei SELV

Mit den engeren Toleranzen liegt das obere Spannungslimit eines +48-V-Ausgangs bei 60 V, was eine Qualifizierung als SELV-System (safety extra low voltage) ermöglicht. Das reduziert die Kosten für Entwicklung und Aufbau im Vergleich zu gleichen Systemen, die höhere Spannungen erlauben, da keine weiteren Maßnahmen für den Personenschutz erforderlich sind. Zusätzlich zu den Einsparungen bei der Hardware benötigen die Techniker für die Installation und die Wartung keine zusätzliche Qualifikation für die höheren Spannungen von non-SELV-Schaltungen. Das senkt zusätzlich die Lohnkosten für diese Arbeiten. Niederspannungssysteme eignen sich durch die geringeren Kriech- und Luftstrecken ebenfalls eher für hochkompakte Entwicklungen als Anlagen mit höheren Spannungen.
In der Vermittlungszentrale spielt die Kompaktheit eine wichtige Rolle. Bei den geschalteten Anlagen betrug der Stromverbrauch nur ein paar hundert Watt pro m², heute sind es mehrere Kilowatt. Zusätzlich wird der von den Nutzern bestimmte Bedarf den Netzwerkverkehr bis 2017 um 23 Prozent pro Jahr steigen lassen. Bedenkt man die steigenden Grundstückspreise für die Vermittlungszentralen, wird die Maximierung des Durchsatzes pro Flächeneinheit zu einer Priorität.

Verteilung einer enger tolerierten Spannung

Die Versorgung mit einer enger tolerierten 48-V-Spannung erlaubt den Systementwicklern die Spezifizierung von effizienteren und kompakteren Wandlern für die Versorgung der Lasten wie z.B. Linecards und CPUs. Während der Wirkungsgrad allein noch keine Entscheidung für die Auswahl einer Hardware herbeiführen wird, bringt die durch die höhere Effizienz von Wandlern mögliche höhere Leistungsdichte verschiedene entscheidende Faktoren. Einer der wichtigsten ist, dass Entwickler die Leistungs- und Funktionsmerkmale an die praktischen Grenzen der momentanen Technologie treiben können, sich die Kühlleistung verringern lässt und trotzdem eine hohe Zuverlässigkeit beibehalten wird.
Erste 48-V-SELV-Distributionssysteme hatten noch eine Toleranz der Ausgangsspannung von ±20 Prozent. Aktuelle Entwicklungen erzielen typischerweise enger tolerierte Ausgangsspannungen mit Abweichungen von ±10% oder besser. Als Resultat kann für einige Technologien die gleiche Topologie, die das +48-V-Distributionssystem versorgt, auch 54 V zur Verfügung stellen und dabei auch unterhalb der maximalen Grenz von 60 V für SELV-Systeme bleiben. Wird das Verteilersystem bei 54 V betrieben, sinken die Leitungsverluste um 26 Prozent im Vergleich zum Betrieb bei 48 V. Gleichzeitig ist damit auch der Einsatz von Power over Ethernet in der Anlage für die Vor-Ort-Kommunikation, Fernfühler und Sicherheitsfunktionen auf dem Betriebsgelände möglich.

Hohe Leistungsdichte

Durch die Weiterentwicklung der Topologien für die Leistungsumwandlung, der Schaltelemente und der Gehäusetechnologien für Powerkomponenten stiegen die mögliche Leistung pro Gehäuse und die allgemeine Leistungsdichte (Bild und Tabelle). Die Leistungsdichte allein ist jedoch nicht das allein bestimmende Merkmal, speziell im Fall der Umwandlung von 48 V auf einen Ausgang mit ca. 1 V für CPU-Applikationen.
Diese Wandler eliminieren eine Wandlerstufe durch den Ersatz des Intermediate-DC-DC- und des CPU-Point-of-Load-(PoL-)Wandlers durch eine oftmals platzmäßig kleinere Lösung für den PoL-Wandler. Dieser Ansatz ermöglicht es dem Entwickler, die 48-V-Versorgung auf der CPU-Leiterkarte zu verlegen und dadurch Leitungsverluste auf der Karte um den Faktor 16 oder mehr zu verringern.
Ein Beispiel hierfür ist das Vicor-48V-VR12.5-Referenzdesign, das Multiphasenschaltungen ersetzt, während es die Anzahl der Komponenten reduziert, und trotzdem voll kompatibel zu den Haswell-Poweranforderungen ist. Diese Architektur verringert ebenfalls drastisch die Speicherkondensatoren und steigert damit nochmals die Leistungsdichte. Durch Reduzierung der benötigten Bauelemente und Energiespeicherkomponenten lässt sich der Wandler näher am Prozessor platzieren. Das senkt Verluste und parasitäre Induktivitäten in den Leiterbahnen zum Prozessor, welche die höchsten Ströme mit den größten dynamischen Änderungen führen müssen.

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