Power Delivery Networks

Stromversorgungsarchitektur am Scheideweg

23. August 2021, 16:00 Uhr | Henryk Dabrowski, Vicor

Fortsetzung des Artikels von Teil 1

Zentrale Energieversorgung

Chancen für Innovationen bei der Wandlung in eine PDN-Zwischenstufe mit 48 V ergeben sich in den folgenden Bereichen:

Hohe Leistungsdichten lassen sich erzielen.
Es lässt sich ein modularer Ansatz für Redundanz und Skalierbarkeit implementieren.
Innovative Kühltechniken mit thermisch optimierten, planaren Gehäusen lassen sich einsetzen.
Hocheffiziente Wandler mit festem Übersetzungsverhältnis lassen sich einsetzen. Nachgeschaltete Komponenten regeln die Spannung genauer.

Mit den weiterhin steigenden Leistungen werden die Anforderungen an das Design einer zentralen Stromversorgung noch immer komplexer. In den meisten Applikationen liegt der primäre Fokus auf Größe und Gewicht des zentralen Wandlers sowie der durch die höheren Verlustleistungen notwendigen Kühlung. Spielen Größe und Gewicht keine Rolle, lassen sich sehr hohe Wirkungsgrade erzielen und die Entwärmung mit Hilfe von Lüftern realisieren.

Bei den meisten Anwendungen wird aber eine höhere Leistungsdichte gefordert. Entwickler von Stromversorgungssystemen sollten daher die Vorteile von Wandlermodulen für Design und Aufbau bedenken, anstatt ein diskretes Design von Grund auf zu entwickeln. Solche Module in Verbindung mit modernen Architekturen, Topologien, Regelungsfunktionen und Gehäusen öffnen neue Wege, um die Performance dieser zentralen Wandler zu verbessern.

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Ist die zentrale Versorgung eine Wechselspannung oder eine hohe Gleichspannung (Bild 3), ist eine Isolation gefordert. Dies erzeugt Verluste in je- dem Wandler, aber eventuell wird keine Regelung benötigt, da dieser Zwischenkreis wiederum geregelte Wandler für die Lasten enthält (z.B. von 48 V auf 12 V). Hierfür gibt es folgende zwei Überlegungen:

Spannungsbereich der Quelle: ein Wandler mit festem Übersetzungsverhältnis wirkt wie ein Transformator und bildet diese Spannung im Verhältnis der Windungszahlen bzw. des k-Faktors direkt am Ausgang ab. Auch der Eingangsspannungsbereich der nachgeschalteten Wandler und Regler muss kompatibel sein.
Im Fall einer dreiphasigen Wechselspanung: Benötigt das System eine Leistungsfaktorkorrektur (Power Factor Correction, PFC)?

Datenzentren und Exascale-Computer benötigen höchste Rechenleistung auf eingeschränktem Platz und profitieren daher besonders von Komponenten mit hoher Leistungsdichte und modernsten Kühltechniken. Bei einigen Anwendungen wird für die Kühlung der komplette Server in ein Bad aus einer inerten, dielektrischen Flüssigkeit mit hoher Dichte (z. B. Fluorinert) getaucht. Alternativ verwenden andere High-Performance-Computer eine Kühlung mit Heat-Pipes und Kühlplatten. Hierbei werden für Leistungswandler und Regler im zentralen System flache, planare Gehäuse benötigt.

Neue Möglichkeiten mit höherer Busspannung

Möglichkeiten für neue Ansätze bei Intermediate-Bus-PDNs mit 48 V ergeben sich in folgenden Bereichen:

Verwendung von nicht-isolierten Wandlern mit festem Übersetzungsverhältnis für die Umwandlung von 48 V auf 12 V.
Einsatz von geregelten Wandlern mit hoher Leistungsdichte.
Aufbau einer Architektur mit im Vergleich zu IBA besseren Eigenschaften: der Factorized Power Architecture (FPA).

Die Busspannung in einem PDN von 12 V auf 48 V zu ändern, birgt Herausforderungen, aber auch Vorteile. Eine höhere Busspannung physikalisch so nah wie möglich an PoL-Regler bei der Last zu bringen, reduziert Größe, Gewicht und Kosten für Kabel, Steckverbindungen sowie Leiterbahnen (Bild 4).

Der Platz für PoL-Regler ist meist sehr begrenzt, daher sollten diese eine hohe Leistungsdichte und optimale Wirkungsgrade aufweisen. Ein nicht-isolierter Buswandler mit festem Übersetzungsverhältnis ist die beste Option, solange der PoL-Wandler die leicht variierende Spannung am Eingang verträgt. Diese wird bestimmt durch die Busspannung geteilt durch das feste Übersetzungsverhältnis bzw. den k-Faktor des Buswandlers. Hat der zentrale Wandler eine vernünftige Regeltoleranz, ist dieser Ansatz möglich und auch vorteilhaft.

Haben der zentrale Wandler oder die Quelle (z.B. eine 48-V-Batterie) jedoch einen weiten Spannungsbereich, werden je nach Spezifikation der Eingangsspannung der PoL-Regler eventuell geregelte DC-DC-Wandler benötigt. Diese zusätzliche Regelung in der Stufe von 48 V auf 12 V reduziert jedoch den Wirkungsgrad des Wandlers je nach eingesetzter Topologie um zwei bis vier Prozentpunkte.

Für ein wirklich modernes PDN-Design, mit deutlich besserer Performance und hoher Stromdichte an der Last, könnte als neue Architektur die Factorized Power Architecture (FPA) von Vicor in Betracht gezogen werden (Bild 5). Hier wird ein neuartiger Wandler, ein sogenannter Strommultiplizierer, direkt an der Last eingesetzt. Er kann die 48 V direkt auf die Lastspannung wandeln und erzielt dabei hohe Wirkungsgrade und Leistungsdichten. Bei Anwendungen mit hohen Strömen kann dies Vorteile bieten, da die Impedanz des PDNs zwischen Wandler und Last hohe Verluste generieren kann und auch das Verhalten bei Lastsprüngen (di/dt) negativ beeinflusst.

Da Strommultiplizierer ein festes Übersetzungverhältnis haben, benötigt die komplette FPA-Lösung eine vorgeschaltete Regelung. Um maximale Effizienz und Leistungsdichte bei gleichzeitiger Reduzierung der Verluste zu erzielen, arbeitet der Regler am Ein- sowie am Ausgang mit einer Nennspannung von 48 V. Für den Strommultiplizierer wird der k-Faktor ausgewählt, der für die Versorgungsspannung der Last benötigt wird.

Der Autor

Henryk Dabrowski

ist Vice President of Sales EMEA bei Vicor. Er hat über 25 Jahre Erfahrung in den Bereichen Technologieentwicklung, Vertrieb und Management. Bevor er 2013 zu Vicor kam, war Henryk in unterschiedlichen Vertriebsfunktionen bei Texas Instruments und Infineon sowie beim Distributor Rutronik tätig. Im Juli 2005 erlangte Henryk den Status eines Chartered Engineer beim Institute of Engineering and Technology (IET) und dem Engineering Council UK und hat seine berufliche Entwicklung durch die Teilnahme am The Leadership Programme der Henley Business School fortgesetzt.