Con la proliferazione di reti 5G, cloud computing, Internet of Things (IoT) e virtualizzazione, l’infrastruttura IT sta guidando la domanda di server di elaborazione ad alte prestazioni.
Ogni nuova generazione di server richiede maggiore potenza ed efficienza di elaborazione, aumentando anche i requisiti di alimentazione. Uno degli aspetti chiave per garantire che i server soddisfino le richieste del mercato è comprendere l’effetto che l’alimentatore del microprocessore ha sia sulla risposta dinamica che sull’efficienza del server nel suo insieme. Ciò consente agli ingegneri di configurare l’alimentatore per prestazioni ottimali.
Le applicazioni server sono particolarmente esigenti quando si tratta di requisiti di risposta transitoria. Per soddisfare questi requisiti, i progettisti possono implementare il controllo della linea di carico, a volte indicato anche come posizionamento della tensione attiva (AVP).
Comprensione della progettazione della linea di carico CC
Il controllo della linea di carico (LL) si riferisce a una modifica dell’anello di controllo della tensione in cui la tensione di uscita del convertitore buck (VFUORI) è regolabile in base alla corrente di carico. In altre parole, VFUORI non è più costante per tutti i valori di carico e cambia invece in base alla richiesta di potenza. La tensione di uscita regolata può essere calcolata utilizzando l’equazione 1:
VFUORI = VOUT(NOME) – IOFUORI × RLL (1)
Dove VOUT(NOME) è il massimo VFUORI quando non c’è carico collegato all’alimentazione, IFUORI è la corrente di carico e RLL è l’impedenza della linea di carico equivalente (in Ω).
Figura 1 mostra come l’implementazione della regolazione della linea di carico degradi la regolazione del carico CC (indicata con la linea blu), causando VFUORI decrescere all’aumentare della corrente, rispetto all’approccio tradizionale che fissa VFUORI per tutti i carichi (indicati con la linea verde). Si noti che la pendenza di tensione creata dalla linea di carico deve ancora essere progettata per soddisfare la VFUORI requisiti per l’alimentazione dei microprocessori. Ciò significa che VFUORI deve rientrare nei limiti di tensione specificati: VMASSIMO e VMIN—per l’intero intervallo di corrente di uscita.
Figura 1 Il grafico mostra VFUORI con linea di carico CC rispetto alla V fissaFUORI metodo. Fonte: Sistemi di alimentazione monolitici (MPS)
Il motivo principale per implementare la regolazione della linea di carico è ridurre la tensione quando la corrente di carico è molto elevata, riducendo così il consumo di energia e la perdita di dissipazione. Sebbene questo sia un vantaggio discusso di frequente, un altro vantaggio dell’implementazione del controllo della linea di carico è il modo in cui migliora la risposta dinamica del server.
Gli alimentatori nelle applicazioni server spesso devono supportare grandi transitori di carico. Questo perché gli alimentatori nelle applicazioni server devono alimentare carichi come dispositivi di archiviazione e CPU, i cui requisiti di alimentazione variano in base alle attività che stanno eseguendo. Ad esempio, non è raro che un alimentatore per server fornisca livelli di corrente ben superiori a 100 A.
figura 2 mostra un’alimentazione prima e dopo l’implementazione della linea di carico. A causa del passaggio corrente, l’alimentatore senza una linea di carico, indicata con la linea viola, subisce grandi sovraelongazioni e undershoot durante i transitori di carico. Se questi picchi superano i limiti di tensione massima o minima, ciò può causare la rottura del carico e la cessazione del funzionamento. Aggiustando gradualmente VFUORI con l’implementazione di una linea di carico, indicata con la linea blu, questi picchi possono essere eliminati e la risposta transitoria è migliorata.
figura 2 Il confronto dell’alimentazione prima e dopo l’implementazione della linea di carico evidenzia gli effetti sulla risposta transitoria. Fonte: Sistemi di alimentazione monolitici (MPS)
Mentre la linea di carico migliora le prestazioni e l’efficienza del server, la configurazione della linea di carico deve essere molto precisa, poiché il convertitore deve funzionare sempre entro i limiti di tensione impostati. La maggior parte degli standard di comunicazione specifica i valori ideali della linea di carico, ma potrebbe essere necessario modificare questi valori a causa dei diversi materiali e layout delle schede. In caso contrario, la linea di carico potrebbe spingere la tensione al di sotto dei requisiti minimi durante il funzionamento ad alta potenza (Figura 3).
Figura 3 Ecco una vista degli errori causati da configurazioni della linea di carico non ottimali. Fonte: Sistemi di alimentazione monolitici (MPS)
Riduzione della capacità di uscita con linea di carico CC
Per dimostrare i vantaggi del controllo della linea di carico, è stato creato un esempio generale con le specifiche tipiche del processore per una barra di alimentazione. La tensione di ingresso (VIN) è stato impostato su 12 V, la corrente di uscita (ITDC) era 220 A e la tensione di uscita (VFUORI) era 1,8 V, tutti valori generici per una barra di tensione nelle applicazioni server. Tabella 1 mostra le specifiche.
Tabella 1 Specifiche del binario di alimentazione. Fonte: Sistemi di alimentazione monolitici (MPS)
Tavolo 2 mostra le condizioni di prova come la capacità di uscita (CFUORI), frequenza di commutazione (fSW), e il numero di fasi (NFASE).
Tavolo 2 Parametri di prova. Fonte: Sistemi di alimentazione monolitici (MPS)
Per implementare questo esempio è stato utilizzato un controller multifase digitale a doppio loop, MP2965, poiché supporta la configurazione della linea di carico e può essere configurato per un funzionamento fino a 7 fasi. La linea di carico configurabile PMBus richiede una resistenza di statismo (RCADUTA) da collegare tra i pin VDIFF e VFB, nonché le configurazioni dei registri interni (Figura 4)
Figura 4 Ecco come appare la struttura interna della linea di carico basata sul controller. Fonte: Sistemi di alimentazione monolitici (MPS)
In primo luogo, un progettista deve stabilire l’effetto della linea di carico osservando la regolazione della tensione quando il convertitore non utilizza una linea di carico. Un passaggio di corrente di 160 A è stato applicato al controller multifase MP2965 per emulare un carico della CPU. Figura 5 mostra la risposta del convertitore senza una linea di carico CC. Notare la grande VFUORI picchi che si verificano durante i transitori di corrente. Ciò significa che c’è una variazione di tensione di 205 mV, che è appena all’interno delle specifiche mostrate nella Tabella 1.
Figura 5 La risposta del convertitore a un gradino di corrente è senza linea di carico CC. Fonte: Sistemi di alimentazione monolitici (MPS)
Utilizzando l’equazione 1, è stata progettata una linea di carico di 0,67 mΩ per soddisfare il minimo VFUORI specifica, stimata con l’equazione 2.
VFUORI = VID – IOFUORI × RLL → RLL = VOUT(NOME) – VFUORI (MIN)/IOFUORI (MAX) = 108 mV/160 A = 0,675 mΩ (2)
Figura 6 mostra la risposta transitoria risultante dopo l’implementazione di una linea di carico CC.
Figura 6 La risposta del convertitore a un gradino di corrente è con linea di carico CC. Fonte: Sistemi di alimentazione monolitici (MPS)
Implementando una linea di carico CC, VFUORI rimane ben all’interno dell’intervallo di tensione specificato nella tabella 1, con un margine di tensione di circa il 50% dell’intervallo consentito. Questo maggiore margine di tensione significa anche che alcuni vincoli di progettazione possono essere allentati, come la capacità di uscita, che è uno degli elementi chiave utilizzati per ridurre i picchi di tensione di uscita. Come specificato nella tabella 2, le risposte di tensione mostrate nella figura 5 e nella figura 6 si riferiscono a una capacità di uscita totale di 4,7 mF, composta da 60 condensatori MLCC da 22 μF posti vicino al carico della CPU, insieme ad alcuni condensatori elettrolitici in alluminio.
I condensatori MLCC filtrano i componenti ad alta frequenza della risposta transitoria di corrente, mentre i condensatori elettrolitici in alluminio filtrano i componenti a bassa frequenza. Questi condensatori in alluminio, chiamati condensatori di massa, sono appositamente progettati con una resistenza in serie equivalente (ESR) molto bassa, il che significa che sono in genere i condensatori più costosi del circuito. Di conseguenza, avere un minor numero di condensatori di massa riduce il costo complessivo e la distinta base.
Poiché l’implementazione della linea di carico CC riduce già i picchi transitori, la capacità di massa diventa meno cruciale per la risposta ai transitori e anche i requisiti ESR del condensatore di massa vengono ridotti. Pertanto, alcuni dei condensatori di massa possono essere rimossi senza avere un effetto significativo sulla risposta transitoria del circuito. Figura 7 mostra i risultati dopo aver ridotto la capacità di massa del 50% (da 6 x 470 µF a 3 x 470 µF).
Figura 7 La risposta del convertitore al gradino di corrente è con linea di carico CC e un minor numero di condensatori bulk. Fonte: Sistemi di alimentazione monolitici (MPS)
Per aumentare il margine di tensione per i picchi positivi e negativi, è stato aggiunto un offset di 40 mV CC a VFUORI. Questo pone VFUORI vicino al centro del range di tensione definito dalle specifiche.
Sebbene ci siano meno condensatori bulk, non vi è alcun cambiamento visibile nella risposta transitoria dell’alimentatore. Tuttavia, ciò offre ancora il vantaggio di costi ridotti e spazio sulla scheda.
Un ulteriore vantaggio della linea di carico è la ridotta dissipazione di potenza della CPU. Quando VFUORI è impostato su 1,8 V a 160 A, la potenza del carico è 288 W. Implementando la linea di carico CC e diminuendo VFUORI a 1,725 alla corrente massima, la potenza del carico della Figura 7 è 276 W, che rappresenta un risparmio energetico netto di 12 W.
Vantaggi del controllo della linea di carico
Le applicazioni server e informatiche richiedono alimentatori in grado di gestire sbalzi di corrente ampi e improvvisi rispettando i severi requisiti VFUORI requisiti normativi.
Utilizzando un controller digitale per implementare una linea di carico configurabile PMBus, questo articolo ha dimostrato i vantaggi del controllo della linea di carico, come una migliore efficienza e prestazioni di risposta transitoria dell’alimentatore migliorate. L’articolo ha anche spiegato come l’implementazione di una linea di carico CC riduca la capacità di massa minima richiesta, consentendo ai progettisti di ridurre i costi complessivi e ridurre al minimo lo spazio sulla scheda, pur rispettando le specifiche per le applicazioni server.
Marisol Carbrera è Senior Applications Engineer presso Sistemi di alimentazione monolitici.
Tomas Hudson è ingegnere applicativo presso Sistemi di alimentazione monolitici.
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