Gli attuali livelli di potenza stanno via via aumentando in molti settori e molti utenti stanno ora anche considerando la possibilità di migrare il loro PDN, lasciando i 12V per cercare di facilitare queste sfide.
Calcolo ad alte prestazioni, comunicazioni, infrastrutture di rete e veicoli a guida autonoma sono solo alcuni tra i molti settori che richiedono sempre crescenti livelli di potenza, motivo per cui ora è giunto il momento per chi progetta sistemi di potenza di guardare oltre le tradizionali architetture e tecnologie di erogazione di potenza. Questi nuovi e complessi carichi richiedono la realizzazione di nuove architetture pensate per prestazioni aumentate e alta densità di corrente al punto di carico (PoL).
By Henryk Dabrowski, Vicor Corporation
Ogni apparecchiatura o sistema elettronico ha un PDN (power delivery network) composta da cavi, bus-bar, connettori, circuiti stampati, convertitori e regolatori AC-to-DC e DC-to-DC. A governare le prestazioni di un PDN è la sua architettura generale, come l’uso della distribuzione della tensione AC o DC, i livelli di tensione e corrente specifici e quando, e quante volte, la rete necessita della conversione e regolazione della tensione.
Figura 1. Vicor PDN 3 Phase 12V
Molti PDN sono stati standardizzati per settori specifici nel corso di anni, come i 270 V e 28 V nell’industria Aerospaziale e Difesa, i 48 V negativi utilizzati nelle applicazioni delle infrastrutture di Comunicazione e i PDN a 12 V (vedere la figura 1) utilizzati nell’Automotive che poi è diventato uno standard nei server di computer e applicazioni industriali. Di conseguenza, industrie e settori industriali da miliardi di dollari sono stati costruiti attorno a PDN standard.
Mentre le industrie passano a nuovi PDN, come 48V, 400V e 800V, ci sono molte opportunità per migliorare sostanzialmente le prestazioni con architetture e tecnologie di erogazione di potenza non tradizionali.
Figura 2. Moduli di Potenza di Vicor dalle prestazioni di sistema più elevate
I sistemi avanzati di elaborazione ad alte prestazioni e aziendali, le infrastrutture di comunicazione e di rete, i veicoli autonomi e numerose applicazioni di trasporto sono solo alcuni dei settori in forte crescita che chiedono, a gran voce, più potenza. Questi sistemi, con un numero sempre crescente di carichi e di potenza di carico (vedere figura 2), pongono però complesse sfide di progettazione se si vogliono ottenere prestazioni elevate quando il PDN è basato su 12 volt. Impiegare tensioni più elevate, è una sfida, che porta con se anche buone ragioni per resistere al cambiamento o almeno non avere troppa fretta, vista la lunga storia di successi nell’uso di 12V e dell’enorme ecosistema della catena di distribuzione che è stata costruita attorno a questo nel corso di decenni.
Il successo dei 48V
Il settore delle telecomunicazioni utilizza da decenni PDN a 48V. 48V era l’opzione migliore perché:
1. È un safety extra low voltage (SELV). SELV significa che comporta un basso rischio di pericolose scosse elettriche.
2. Un cavo di piccolo diametro può trasportare la corrente con cadute di tensione ridotte anche nel caso in cui si debbano percorrere lunghe distanze.
3. Un requisito “always on” ha spinto l’industria a utilizzare grandi banchi di batterie ricaricabili al piombo da 12 V collegati in serie per fornire 48 V.
Al crescere in complessità delle infrastrutture di rete di comunicazione, con l’avvento di Internet, laptop e telefoni cellulari, l’infrastruttura PDN a 48 V doveva alimentare i numerosi nuovi e complessi carichi costituiti da array di processori di rete, memorie e carichi di sistema di controllo. Ciò rappresentava una sfida perché il grosso delle tecnologie disponibili era incentrata sulle capacità dei 12V con convertitori a semiconduttore e componenti di regolazione ottimizzati per questa tensione operativa.
Figura 3. Vicor PDN Minus 48V
Per risolvere questo problema, da 48V a 12V (vedere figura 3.), è stata implementata un’architettura chiamata IBA (Intermediate Bus Architecture) che è rapidamente diventata lo standard de-facto nelle applicazioni di comunicazioni e infrastrutture di rete. Gli Intermediate Bus Converter (IBC), convertitori a rapporto fisso (1/4) isolati e non regolati, sono stati sviluppati da diverse aziende e costruiti su un package open frame che soddisfaceva gli standard di piedinatura DOSA e POLA per consentire il multi-sourcing.
L’isolamento non era un requisito di sicurezza per SELV IBA perché i terminali positivi delle batterie erano collegati a terra per fermare il fenomeno della corrosione galvanica, risultando una tensione negativa di 48V. Utilizzando un bus converter isolato a rapporto fisso come trasformatore DC-DC, è possibile utilizzare un ingresso da – 48 V per fornire un’uscita a +12V per i regolatori dal punto di carico a valle (PoL).
Applicazioni avanzate come l’AI (artificial intelligence) nei data center stanno guidando il passaggio dai PDN a 12V a quelli a 48V, passando da IBA alle nuove architetture. Il significativo aumento dei livelli di potenza dei processori e dei server rack associati hanno semplicemente superato quello che 12V e IBA sono in grado di offrire.
Per quanto riguarda il mercato automobilistico, la necessità di soddisfare la legislazione e i nuovi standard, che richiedevano una riduzione delle emissioni di CO2 nei veicoli, è stata il catalizzatore e la spinta per l’esplorazione l’elettrificazione dei veicoli. Ciò ha portato al successo delle batterie da 48V nel supportare nuovi progetti di sistemi mild-hybrid di trasmissione, sistemi di sicurezza, e intrattenimento.
Nuovi PDN per tensioni più elevate
Con l’avvento di nuovi requisiti per una più elevata potenza di sistema, i PDN basati su 380V e 48V sono più complessi poiché molti settori industriali stanno ancora cercando di mantenere in essere la preesistente infrastruttura PDN a 12V per il punto di carico. Ulteriori sfide PDN si presentano sottoforma di nuove fonti di alimentazione ad alta tensione come per le batterie da 800 V nei veicoli pure electric (EV) e ad alte prestazioni.
In questi nuovi sistemi e applicazioni l’erogazione della potenza può essere suddivisa in tre segmenti fondamentali:
- Bulk power conversion a 48V.
- Erogazione intermediate bus della potenza a 48V, quindi conversione e talvolta regolazione a 12V.
- Erogazione di potenza al point-of-load (PoL) con conversione e regolazione da 12V e 48V.
Bulk power delivery
Le opportunità di innovazione della bulk power conversion verso un PDN intermedio a 48 V si incontrano nelle seguenti aree:
1. Raggiungimento di una maggiore densità di potenza
2. Implementazione un approccio modulare per ottenere ridondanza e scalabilità
3. Abilitazione di tecniche di raffreddamento avanzate con packaging planare termicamente adatto
4. Utilizzo di convertitori a rapporto fisso ad alta efficienza lasciando la regolazione ai componenti downstream
Man mano che i livelli di potenza crescono, le sfide per la progettazione di un bulk power system diventano sempre più complesse. La gestione delle dimensioni e del peso del bulk power converter e il raffreddamento dello stesso per l’innalzamento della temperatura causato dalle maggiori perdite di potenza sono le principali aree di interesse e di intervento nella maggior parte delle applicazioni. Se le dimensioni e il peso non sono un problema, è possibile ottenere un’efficienza molto elevata e la gestione termica può essere ottenuta effettuando il raffreddamento con una ventola.
Tuttavia, la maggior parte delle applicazioni richiede una maggiore densità di potenza. Gli ingegneri, nella progettazione dei sistemi di potenza, dovrebbero considerare i vantaggi derivanti dall’utilizzo di moduli di alimentazione per la progettazione e la costruzione di questi grandi convertitori, piuttosto che costruire da zero progetti basati su componenti discreti. I moduli di alimentazione in combinazione con architetture, topologie, sistemi di controllo e packaging innovativi offrono nuovi modi per migliorare le prestazioni bulk PDN.
Se la fonte di alimentazione principale è AC o alta tensione DC (vedere figura 4.), allora sarà necessario l’isolamento. Uno stadio di isolamento aggiunge perdite di potenza a qualsiasi convertitore, ma la regolazione potrebbe non essere necessaria se il PDN intermediate bus contiene la regolazione per lo stadio PoL (cioè da 48V a 12V).
Figura 4. HV to 48V
Le due considerazioni e i due argomenti da non perdere di vista per questo approccio sono:
- Intervallo di ingresso della fonte di alimentazione (il convertitore a rapporto fisso rifletterà questa tensione di ingresso sull’uscita, in base al suo rapporto spire o fattore K, proprio come un trasformatore) e intervallo di tensione di ingresso dei convertitori/regolatori downstream
- Nel caso di una fonte di alimentazione AC trifase, il sistema necessita di PFC (power factor correction)
Data center ed exascale computing abitualmente richiedono la massima potenza di elaborazione in uno spazio ristretto, quindi traggono grande vantaggio dai componenti ad alta densità e dalle tecniche di raffreddamento avanzate. In alcuni casi, viene implementato il raffreddamento a immersione totale, in cui l’intero server viene immerso in un bagno di fluorinert. In alternativa, con altre applicazioni di calcolo ad alte prestazioni si stanno sviluppando tecniche di raffreddamento con tecnologie heat pipe e cold plate. In queste applicazioni è necessario un package planare low-profile per le fasi di conversione e regolazione della potenza del bulk power system (BPS).
Innovazione dell’erogazione della potenza Intermediate bus e Point-of-Load
Le opportunità per innovare i PDN intermediate bus a 48V si incontrano nelle seguenti aree:
- Utilizzo di bus converter a rapporto fisso non isolati per la conversione da 48V a 12V
- Implementazione di moduli convertitori di potenza regolati con elevata densità di potenza
- Inclusione di un’architettura più performante rispetto a IBA: Factorized Power Architecture (FPA)
Figura 5. 48V to 12V Isolation
Il passaggio da un PDN intermediate bus a 12V ad un PDN a 48V se da un lato pone alcune sfide dall’altro offre anche vantaggi. Massimizzare l’erogazione della potenza a 48 V fisicamente il più vicino possibile ai regolatori PoL ridurrà cavi, connettori, dimensioni, peso e costi (vedere Fig.5) del piano di alimentazione in rame del PCB. I vincoli di spazio del PoL sono spesso problematici, quindi il convertitore deve avere un’elevata densità di potenza ed efficienza. Un bus converter a rapporto fisso non isolato è l’opzione migliore fintanto che i regolatori PoL sono in grado di gestire la variazione di tensione sull’ingresso, che è determinata dall’intervallo di tensione in ingresso al bus converter diviso il rapporto di trasformazione o fattore K (VIN / K = VOUT). Se il bulk power converter è progettato con tolleranze di regolazione ragionevoli, questo approccio progettuale non solo è fattibile ma è anche vantaggioso.
Per i progetti in cui il bulk power converter o bulk power source (come una batteria da 48 V) ha un ampio intervallo di tensioni di uscita, potrebbero essere necessari convertitori DC–DC regolati a seconda delle specifiche della tensione di ingresso del regolatore PoL. L’aggiunta della regolazione allo stadio da 48V-12V ha l’effetto di una riduzione dell’efficienza del convertitore compresa tra il 2% e il 4% a seconda della sua topologia.
Figura 6. DC-DC Conversion and Regulation
Per innovare realmente la progettazione dei PDN, con prestazioni notevolmente migliorate e un’elevata densità di corrente al PoL, una nuova architettura da considerare è la Factorized Power Architecture o FPA di Vicor (vedere figura 6.).
Con FPA, un nuovo tipo di convertitore chiamato moltiplicatore di corrente, che è in grado di convertire direttamente la tensione, 48V-to-load, con elevata efficienza e densità, viene posizionato molto vicino al carico. Nelle applicazioni ad elevata corrente questo è estremamente vantaggioso in quanto riduce l’impedenza PDN tra il convertitore e il carico, che potrebbe essere una fonte di perdite di potenza molto elevate e influire anche sulle performance transienti di/dt.
Poiché il moltiplicatore di corrente è un convertitore a rapporto fisso, per completare un progetto FPA è necessario uno stadio di regolazione upstream. Per massimizzare l’efficienza e la densità, riducendo al minimo le perdite di potenza, il modulo regolatore funziona con tensioni sia di ingresso che di uscita impostate su 48 V, con il fattore K del moltiplicatore di corrente scelto per fornire la tensione di uscita richiesta per il carico.
Con l’aumento dei livelli di potenza in molti settori, il passaggio ad un PDN di tensione più elevata può facilitare questa sfida, ma anche aggiungere qualche complessità. I progettisti di sistemi di potenza dovrebbero valutare nuove topologie e architetture di nuovi fornitori, perché in grado di offrire vantaggi apprezzabili in termini di prestazioni del sistema.
Progresso, avanzamento e innovazione richiedono invariabilmente anche nuovi modi di pensare e immaginare, nuove idee e nuovi approcci. Man mano che le esigenze di aziende e settori cambiano, siate aperti a tutte le possibilità. Esplorare e ricercare alternative può essere molto gratificante in molti modi.
