Stromversorgung
Steigt der Leistungsbedarf in Servern, dann helfen nur eFuses
Das Datenaufkommen steigt, damit auch der Bedarf an Servern und Rechenzentren und das wiederum steigert den Energiebedarf. Rechnet man die bisherigen Trends weiter, so ist zu vermuten, dass der Leistungsbedarf pro Rack von rund 4 kW im Jahr 2020 auf 20 kW im Jahr 2025 ansteigen wird.
Weil der für Rechenzentren und Server verfügbare Platz naturgemäß begrenzt ist, müssen die Architekturen von Server-Stromversorgungen eine immer höhere Leistungsdichte aufweisen. Durch Anhebung des Wirkungsgrads dieser Stromversorgungen ist es außerdem möglich, den Kostenaufwand für die Kühlung in Grenzen zu halten.
Gehäusetemperatur des TPS25985 bei VIN = 12 V, IOUT = 50 A und Tamb = 25 °C
Alles in unserer Umgebung benötigt immer mehr Daten und ist zunehmend datengetrieben. Alle diese Daten müssen in Rechenzentren gespeichert und verarbeitet werden (Bild 1).
Server sind typischerweise skalierbar und hot-swap-fähig, d. h. Module können bei laufendem Betrieb getauscht und hin- zugefügt werden, um unterschiedlichen Anforderungen an die Verarbeitungsleistung gerecht zu werden und die Systemverfügbarkeit auf einem hohen Niveau zu halten. Um für eine reibungslose Hot-Swap-Funktionalität zu sorgen, werden Server-Motherboards und Stromverteilungs-Boards mit Hot-Swap-Controllern oder eFuses bestückt. Bauteile wie etwa die eFuses, die in Server-Stromversorgungen zum Einsatz kommen, müssen jedoch immer höhere Ströme verkraften, um dem steigenden Leistungsbedarf der Server gerecht zu werden. Außerdem müssen Schutzbausteine wie Hot-Swap-Controller und eFuses für hohe Spitzenströme ausgelegt sein, damit sie zu den deutlich höheren Rechenleistungen der in den Servern eingesetzten, modernen Mikroprozessoren passen.
In Bild 2 ist eine typische Server-Stromversorgungsarchitektur dargestellt. Traditionell werden Server-Designs für hohe Leistungen mit Hot-Swap-Controllern ausgestattet, die mehrere MOSFETs enthalten. Der Energiebedarf und die Leistungsdichte von Servern nehmen jedoch exponentiell zu. Um diesen Anforderungen zu genügen und außerdem die Designs einfacher zu machen, können Stromversorgungsarchitekturen für Server mit den eFuses TPS25985 (mit 80 A Spitzenstrom) und TPS25990 (mit 60 A Spitzenstrom und PMBus-Interface) ausgestattet werden. Die Bausteine TPS25985 und TPS25990 unterstützen Gleichströme bis zu 55 A bzw. 45 A und besitzen einen bis 60 A bzw. 50 A einstellbaren Grenzstrom. Zum Anheben der Stromfestigkeit ist es außerdem möglich, mehrere eFuses der Typen TPS25985 und TPS25990 aneinanderzureihen.
Anhebung der Leistungsdichte
Eine hohe Leistungsdichte ist ein absolutes Muss in modernen Stromversorgungen (Power Supply Units, PSUs) für Server. Die neueste Generation von Server-PSUs ist im Leistungsbereich von 3 kW (250 A bei 12 V) angesiedelt. Bei der Auswahl eines eFuse-Bausteins kommt es darauf an, ein Maximum an Stromtragfähigkeit mit möglichst kleinen Abmessungen zu kombinieren. Der Baustein TPS25985 verkraftet einen Spitzenstrom von 80 A bei einer Gehäusegröße von 4,5 mm x 5 mm. Bild 3 gibt eine Übersicht über einige eFuses von Texas Instruments.
Die eFuses TPS25985 und TPS25990 enthalten jeweils einen MOSFET, einen Stromwächter, einen Komparator, eine aktive Current-Sharing-Struktur und eine Temperaturüberwachung, wodurch sich der Flächenbedarf auf der Leiterplatte signifikant verringert. Werden mehrere eFuses vom Typ TPS25985 oder TPS25990 aneinandergereiht, vervielfachen sich die Flächeneinsparung und die Leistungsdichte entsprechend. Bild 4 vergleicht die Stromdichte der eFuses TPS25985 und TPS25990 mit derjenigen anderer eFuses auf dem Markt.
Genauigkeit der Stromaufteilung und Stromüberwachung
Hot-Swap-Controller sind nicht in der Lage, die Gates mehrerer parallelgeschalteter MOSFETs so exakt anzusteuern, dass eine präzise Aufteilung des Laststroms auf mehrere parallelgeschaltete MOSFETs möglich ist. Die Genauigkeit, mit der der Strom aufgeteilt und überwacht wird, kann zwar durch das Hinzufügen von Präzisionsverstärkern gesteigert werden, aber hierdurch nehmen auch die Abmessungen der Gesamtlösung zu. Da das Messen der Die-Temperatur eines MOSFET eine Herausforderung darstellt, lässt sich der thermische Schutz des Bausteins unter transienten und statischen Bedingungen nicht unbedingt garantieren. In Bild 5 sind wichtige Pins und Funktionen des TPS25985 zu sehen.
Die eFuses TPS25985 und TPS25990 verfügen über eine integrierte aktive »Current Sharing«-Funktion und einen direkten Zugriff auf bestimmte Parameter des MOSFET-Die (Spannung, Strom und Temperatur). Dies wiederum erlaubt die präzise Ansteuerung aller parallelgeschalteten eFuse-Gates sowie ein exaktes Überwachen der Die-Temperatur der integrierten FETs. Verglichen mit einer eFuse ohne aktives Current Sharing, bieten die Bausteine TPS25985 und TPS25990 die Möglichkeit, die Anzahl der verwendeten eFuses und die Leistungsfähigkeit des gesamten Systems zu optimieren.
Ein integrierter Stromwächter verbessert mithilfe von PSYS/PROCHOT das Power- Management der Serverplattform, um die Verarbeitungsleistung und Stromversorgungsauslastung zu maximieren. Überdies helfen diese Features beim Optimieren des eingangsseitigen Netzteils, mit entsprechend positiven Auswirkungen auf die Systemkosten. Darüber hinaus kommt ein einstellbarer Timer zum Ausblenden kurzzeitiger Stromspitzen zum Einsatz, was die Zuverlässigkeit und Verfügbarkeit des gesamten Systems erhöht, da ein ungewolltes Ansprechen des Überstromschutzes unterbunden wird.
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- Fernüberwachung und -steuerung
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