Veri merkezlerinde boyutu küçültmek, güvenilirliği artırmak ve işletim maliyetlerini düşürmek için akıllı güç çözümleri kullanılır
Yazar: ON Semiconductor kurumsal strateji ve pazarlama kıdemli yöneticisi Ali Husain
Buluta güç verin
Toplumda, ister kişisel hayatımızda ister çalışırken, her gün eşi görülmemiş veriler yaratıyor, kullanıyor ve paylaşıyoruz. Ayrıca milyarlarca cihazı birbirine bağlayan büyüyen Nesnelerin İnterneti (IoT), insan yardımı olmadan veri oluşturuyor. Mobil teknoloji beşinci nesle (5G) doğru geliştikçe, daha fazla veri oluşturabilecek ve her zamankinden daha hızlı çalışabilecek, böylece veri büyüme eğilimine daha fazla ivme kazandıracak.
Tüm bu verilerin işlenmesi ve kayıt tutulması için bir yerde saklanması gerekir. Bu önemli bilgileri korumak için giderek daha fazla "bulut" a yöneliyoruz. Bununla birlikte, "bulut" bir hiçlik yeri değildir. Kökleri devasa veri merkezleri biçimindedir. Bu veri merkezlerinin ölçeği ve sayısı, sürekli artan ek depolama kapasitesi talebiyle başa çıkabilmek için hızla büyüyor.
Şaşırtıcı olmayan bir şekilde, veri merkezlerinin çalışması için çok fazla güç gerekir. Şu anda Amerika Birleşik Devletleri'nde elektriğin yaklaşık% 3'ünü tükettikleri tahmin ediliyor, ancak bu oranın önümüzdeki 20 yıl içinde% 15'e çıkması bekleniyor. Her yıl 10 milyondan fazla sunucu sevk ediliyor ve bu sayı, sanal gerçeklik (VR) / artırılmış gerçeklik (AR), yapay zeka (AI) eğitimi ve IoT ihtiyaçlarını karşılamak için yıllık yaklaşık% 5 oranında artıyor. Ve ortaya çıkan diğer uygulamalar.
Güç verimliliği ve güvenilirlik, veri merkezi endüstrisindeki en önemli konular olabilir, çünkü fiziksel alan çok değerlidir, güç maliyetleri artmaya devam eder ve sistem güvenilirliği kritik önem taşır. Enerji verimliliği arttıkça, çalışma sıcaklığı düşer ve bu da kendi başına güvenilirliği artırır. Bu aynı zamanda güç çözümünü daha kompakt hale getirerek yerden tasarruf sağlar veya daha fazla bilgi işlem gücü ve depolama kapasitesi dahil etmek için kullanılabilir alanı destekler.
Güvenilirlik tasarımına rağmen, disk sürücüleri ve fanlar gibi hareketli parçaları olan bileşenler hala aşınır ve veri merkezinin ömrü boyunca arızalanabilir. Bu nedenle, güç kaynağı sistemi, bakım ve yükseltmelerin sistemin kapalı kalma süresine neden olmaması için bu cihazların çalışırken değiştirilmesine ve değiştirilmesine izin verecek şekilde tasarlanmalıdır.
Teknoloji zorluklara güç katan çözümler sunar
Veri merkezlerinin getirdiği zorlukların üstesinden gelmek için güç çözümlerinin daha küçük, daha kompakt, daha verimli ve daha karmaşık olması gerekir. MOSFET teknolojisi, kontrol IC ve MOSFET'in çok verimli ve kompakt bir pakette entegrasyonunu desteklemek için önemli ölçüde geliştirilmiştir.
Örneğin, ON Semiconductorın NCP3284 DC-DC dönüştürücüsü, 5 mm x 6 mm'lik küçük bir alanda 30 A sürekli (45A puls) özelliğine ve 1 MHz'e kadar çalışma frekansına sahiptir, bu da harici indüktörlerin ve kapasitörlerin boyutunu ve ağırlığını azaltabilir. Entegre cihaz ayrıca çoklu koruma fonksiyonlarını ve programlanabilir yumuşak başlangıcı entegre eder.
Daha yüksek güç yoğunluğu seviyesi, FDMF3170 gibi akıllı güç aşaması (SPS) çözümüdür. SPS, MOSFET'leri, gelişmiş sürücü IC'lerini, akım ve sıcaklık sensörlerini entegre eder ve yüksek akım, yüksek frekans ve senkron kademeli DC-DC dönüştürücülerin tasarımını destekler.
Bu tam entegre yaklaşım, SPS'nin sürücünün ve MOSFET'in dinamik performansını, sistem parazitik azaltma ve MOSFET açık direncini optimize etmesine olanak tanır. FET çifti, özellikle 80 plus gibi modern enerji verimliliği gereksinimlerinin çok katı olduğu düşük görev döngüsü uygulamalarında en yüksek enerji verimliliğini elde etmek için optimize edilmiştir.
Şekil 1: Çözümler sağlamak için çok fazlı kontrolör ve DrMOS güç seviyesi
Yüksek hassasiyetli akım izleme (IMON), indüktör DCR veya direnç algılama yöntemlerini değiştirmek için kullanılabilir, böylece bu tür yöntemlerle normalde ilişkili kayıpları ortadan kaldırır.
Modern veri merkezi sunucu sistemlerinde, mütevazı sigortalar bile dönüştürüldü. Daha da önemlisi, RAID sistemleri, disk sürücüsü güç kaynakları ve sunucu G / Ç kartları gibi uygulamalarda, cam kutulardaki sigortaların yerini yarı iletken tabanlı akıllı elektronik sigortalar (e Sigortalar) almıştır. eFuse, normal çalışma ve çalışırken değiştirme sırasında çevre birimleri korumak için düşük dirençli MOSFET'ler kullanır. Aslında, güç kesintilerinin veya yük kesintilerinin meydana gelebileceği ve ani yükselmelerin ve ani akımların sınırlandırılması gerekebileceği herhangi bir uygulamada kullanılabilirler. Cihazlar, konektörler ve PCB izleri için koruma sağlamanın yanı sıra, bunlar sistem tarafından da kontrol edilebilir ve birçoğu sıcaklık ve akım izleme gibi kullanışlı telemetri işlevleri sağlayabilir.
ON Semiconductorın NCP81295 / 6 çalışırken değiştirilebilir denetleyicisi, 60A (sürekli 50A) değerine kadar tepe akımı destekler ve verimli çalışma için 0,8 m dahili MOSFET'lere dayanır. 5 mm x 5 mm 32 pimli QFN paketinde mevcutturlar ve + 125 ° C'ye kadar sıcaklıklarda kullanıma uygun, mandallı veya otomatik yeniden deneme sürümlerinde mevcuttur.
Diğer bir eFuse-NIS5021, genellikle çalışırken değiştirilebilir sabit sürücülerle kullanılan 12V, 12A serisi bir cihazdır. Hassas devrelere zarar verebilecek herhangi bir aşırı giriş voltajına maruz kalmaması için HDD'yi tamponlar. Yerleşik voltaj kıskacı, sürücünün normal şekilde çalışmaya devam edebilmesi için sürekli güç kaynağını korurken yükü korumak için çıkış voltajını sınırlar.
Sunucular gibi karmaşık sistemler, normal çalışma ve mümkün olan en yüksek enerji verimliliği düzeyini sağlamak için genellikle güç sistemlerinin akıllıca kontrol edilmesini gerektirir. Yük yönetim cihazı, hassas kontrol için güç rayının segmentasyonunu destekler. Devrenin kullanılmayan kısmının kapatılmasına izin verin, bu da gücü başlatma sırasında sıraya koymaya ve işletme maliyetlerini düşürmeye yardımcı olur. Buna karşılık, daha düşük güç seviyeleri sistemde daha az ısınmaya neden olacak, böylece güvenilirliği artıracak ve hizmet ömrünü uzatacaktır. Yük anahtarlarının çoğu aynı zamanda dönüş hızı kontrolünü destekler ve arıza koşullarında koruma sağlayabilir.
Sistem tasarımcıları, bu avantajları elde etmek ve sistem bileşenlerinin sayısını mümkün olduğunca az artırmak için ON Semiconductor'ın NCP455xx serisi gibi entegre yük anahtarlarını kullanır. Yüksek performanslı cihazlar, ayrı çözümlere kıyasla PCB ayak izini yaklaşık% 60 oranında azaltan kompakt bir çözüm sunar.
Geniş bant aralığı teknolojisi
Sunucu güç sistemlerinin boyutu, güvenilirliği, enerji verimliliği ve işletim maliyetleri üzerinde olumlu bir etkisi olabilecek en önemli gelişme, galyum nitrür (GaN) ve silikon karbür (SiC) gibi geniş bant aralıklı (WBG) malzemelere dayalı yarı iletkenlere doğru harekettir. WBG cihaz tasarımı, silikon bazlı cihazlardan daha yüksek enerji verimliliğine sahiptir ve daha yüksek frekanslarda ve daha yüksek sıcaklıklarda çalışabilir.
Şekil 2: Geniş bant aralıklı malzemelerin karşılaştırılması
Örneğin, sunucu güç uygulamalarındaki yaygın bir 5kW güçlendirme dönüştürücüsünde, Si anahtarlarını SiC anahtarlarıyla değiştirmek, yaklaşık 80 kHz frekansta kayıpları% 73 oranında azaltabilir ve böylece sistem enerji verimliliğini önemli ölçüde artırabilir. Bu, sistemi daha küçük hale getirmeye yardımcı olur çünkü daha az termal yönetim gerektirir ve ayrıca sistemin daha düşük bir sıcaklıkta çalışmasına izin verir, böylece güvenilirliği artırır ve daha yüksek cihaz ve sistem yoğunluğu sağlar.
SiC MOSFET'ler eşdeğer IGBT'lerden daha pahalı olmasına rağmen, indüktörler ve kapasitörler gibi pasif bileşenlerde ilişkili maliyet tasarrufları% 75'tir, bu da SiC tasarımları için Si tasarımlarına göre daha düşük toplam malzeme listesi (BOM) maliyetleriyle sonuçlanır. Daha da önemlisi, bir sunucu kurulumunun tüm yaşam döngüsü boyunca, tasarruf edilen enerji maliyetleri onbinlerce ve hatta milyonlarca doları bulabilir.
SiC MOSFET
Si MOSFET
Si IGBT
Arıza gerilimi
1200
1200
1200
Ron * alanı
(Benzer)
1
100
3-5
Anahtarlama kaybı
(Benzer)
1
3-5
10
SiC MOSEFT: İdeal anahtara yakın
Daha yüksek voltaj için düşük direnç (Rds-on) ve düşük anahtarlama kaybının iyi bir kombinasyonu ( > 600 V)
Şekil 3: SIC MOSFET'in Avantajları
özet
Büyük ve artan veri depolamaya olan talep, çok rekabetçi bir veri merkezi ortamı yaratıyor. Meslek alanı ve elektrik enerjisi en büyük iki maliyettir Operatörler bu maliyetleri düşürmeye çalışırken, sunucular ve depolama cihazları için daha verimli, daha güvenilir ve daha küçük güç çözümlerine ihtiyaç duyarlar.
Başarılı bir sunucu güç çözümü tasarlarken birçok hususun dikkate alınması gerekmesine rağmen, entegre MOSFET, SPS, eFuse ve yük yönetimi gibi son derece entegre cihazlar, tasarımcıların yüksek verimli, kompakt ve güvenilir hassas güç çözümleri oluşturmasını sağlar. e Sigortalar, HDD'ler ve fanlar gibi hataya açık cihazların çalışırken değiştirilmesini kolaylaştırdıkları için çalışma süresinin korunmasında önemli bir rol oynar.
Yakın geleceğe bakıldığında, WBG malzemelerinin boyut ve performansta daha fazla değişiklik yapması, güvenilirliği ve enerji verimliliğini artırması ve böylelikle işletme giderlerini azaltması bekleniyor. Şimdi, WBG çözümünün ürün reçetesi maliyeti benzer silikon tasarımlarla karşılaştırılabilir veya daha düşük olabilir, bu nedenle bu cihazların benimsenmesinin hızlanması bekleniyor.
