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La domanda di dati è in crescita, e lo stesso vale per la domanda di server e data center, che fanno crescere la domanda di potenza di alimentazione. Le tendenze del settore indicano che la potenza per rack, pari a 4 kW nel 2020, arriverà a 20 kW nel 2025.
Dato il limitato spazio disponibile fisicamente per data center e server, la possibilità di fornire più potenza in un’area più ridotta è un requisito noto come alta densità di potenza nelle architetture di potenza dei server. Aumentare l’efficienza degli alimentatori per server può inoltre contribuire a contenere i costi di raffreddamento.
Tutto ciò che ci circonda sta diventando sempre più affamato di dati e basato sui dati stessi. Tutti questi dati sono memorizzati ed elaborati da server in data center, come mostrato in Figura 1.
Figura 1: Un ecosistema data-connected
Di solito i server sono scalabili e hot-swappable per rispondere a diversi requisiti di elaborazione e mantenere un’elevata disponibilità del sistema. Per ottenere una funzionalità hot-swap senza soluzione di continuità, le schede madri dei server e le schede di distribuzione dell’alimentazione utilizzano controller hot-swap o eFuse. I componenti come gli eFuse negli alimentatori per server offrono una corrente più elevata per soddisfare i requisiti di alimentazione dei server. I dispositivi di protezione come gli hot-swap e gli eFuse devono inoltre gestire elevate correnti di picco per adeguarsi alle più elevate capacità di elaborazione di picco dei moderni microprocessori nei server. La Figura 2 mostra una tipica architettura di alimentazione per server.
Figura 2: Una tipica architettura di alimentazione per server
Tradizionalmente, i progetti di server ad alta potenza comprendono controller hot-swap con più transistor metallo-ossido-semiconduttore a effetto di campo (MOSFET). Tuttavia, i requisiti di alimentazione e densità di potenza stanno crescendo in modo esponenziale. Per soddisfare tali esigenze e semplificare questi progetti, è possibile prendere in considerazione gli eFuse TPS25985 (80 A picco) e TPS25990 (60 A picco con interfaccia PMBus) nelle architetture di alimentazione dei server. Il TPS25985 e il TPS25990 sono in grado di supportare rispettivamente 60 ACC e 50 ACC e presentano un limite di corrente regolabile rispettivamente fino a 60 A e 50 A. È possibile impilare un numero illimitato di eFuse TPS25985 e TPS25990 per ottenere correnti più elevate.
Come ottenere un’elevata densità di potenza
La densità di potenza è un requisito indispensabile per i moderni alimentatori per server (PSU). L’ultima generazione di PSU per server è dimensionata per 3 kW (250 A a 12 V) di potenza. Quando si sceglie un eFuse è importante disporre della massima corrente nello spazio più ridotto possibile. Il TPS25985 racchiude 80 A di corrente di picco in un package da 4,5 mm x 5 mm. La Figura 3 mostra alcuni degli eFuse di TI.
Figura 3: Progressione della densità di potenza degli eFuse di TI
Integrando un MOSFET, un monitor della corrente, un comparatore, una condivisione attiva della corrente e un monitor della temperatura, gli eFuse TPS25985 e TPS25990 riducono sensibilmente la superficie totale del circuito stampato o della scheda a cablaggio stampato. Collegando più eFuse TPS25985 e TPS25990, il risparmio su scheda e la densità di potenza migliorano considerevolmente. La Figura 4 mostra la densità di corrente di TPS25985 e TPS25990 rispetto ad altri eFuse sul mercato.
Figura 4: Confronto per corrente e densità di potenza
Accuratezza di condivisione e monitoraggio della corrente
I controller hot-swap non sono in grado di controllare i gate di più MOSFET in parallelo con grande precisione, pertanto la condivisione della corrente da parte dei MOSFET in parallelo non è accurata. Gli amplificatori di precisione possono contribuire a raggiungere una maggiore accuratezza di condivisione e monitoraggio della corrente, ma la loro aggiunta va ad aumentare le dimensioni totali della soluzione. È difficile determinare la temperatura del die del MOSFET e pertanto è impossibile garantirne la protezione termica in condizioni transitorie e stazionarie. La Figura 5 evidenzia i pin e le funzioni fondamentali del TPS25985.
Figura 5: Disposizione dei pin del TPS25985, con caratteristiche distintive fondamentali in evidenza
Gli eFuse TPS25985 e TPS25990 integrano la condivisione attiva della corrente e l’accesso diretto ai parametri del die del MOSFET (tensione, corrente, temperatura), che un accurato controllo di tutti i gate degli eFuse connessi in parallelo e un accurato monitoraggio della temperatura del die dei FET integrati. Rispetto a un eFuse senza condivisione attivo della corrente, il TPS25985 e il TPS25990 consentono agli ingegneri progettisti di ottimizzare il numero di eFuse e le prestazioni del sistema.
Un monitor di corrente integrato migliora la gestione dell’alimentazione della piattaforma server utilizzando PSYS/PROCHOT per massimizzare la capacità di calcolo della piattaforma e lo sfruttamento dell’alimentatore. Queste caratteristiche, inoltre, contribuiscono a ottimizzare l’alimentazione elettrica da CA a CC del front-end e, quindi, il costo del sistema. Inoltre, un temporizzatore di spegnimento della corrente transitoria regolabile aumenta l’affidabilità del sistema e la disponibilità complessiva evitando interventi fastidiosi.
Monitoraggio e controllo remoto
Il TPS25990 aggiunge le funzionalità dell’interfaccia PMBus al sistema. Il TPS25990 consente lo spegnimento e la riaccensione a comando singolo con un ritardo di accensione regolabile, che permette agli ingegneri progettisti di sistemi di sequenziare e resettare il sistema da remoto. Inoltre, il TPS25990 offre funzionalità a scatola nera con la registrazione di sette eventi con i relativi timestamp. Il TPS25990 integra convertitori analogico/digitali ad alta velocità che consentono agli utenti di tracciare un singolo segnale a loro scelta, imitando quindi un oscilloscopio digitale. La GUI per il TPS25990, unitamente alle sue ulteriori caratteristiche, permette agli ingegneri progettisti non soltanto di ridurre il tempo di sviluppo complessivo, ma anche di identificare e risolvere rapidamente problematiche sul campo, che risultano solitamente molto difficili da riprodurre e risolvere.
Considerazioni termiche
I sistemi di alimentazione per server lavorano in un ampio intervallo di temperature ambiente (da –40 °C a 85 °C). I controller hot-swap o gli eFuse si trovano esposti a temperature ambiente anche più alte. Pertanto, gli ingegneri progettisti per l’alimentazione si preoccupano delle prestazioni termiche di tali dispositivi quando vi sono correnti elevate in package di piccole dimensioni. Gli eFuse TPS25985 e TPS25990 riducono questo problema grazie alla loro capacità di funzionare a una temperatura di giunzione di 125 °C. Il TPS25985 e il TPS25990 offrono rispettivamente una RDS(on) di 0,59 mΩ e 0,79 mΩ; lo spread della RDS(on) su variazioni di processo, tensione e temperatura è limitato. Pertanto, questi eFuse subiscono un autoriscaldamento molto basso e presentano un ampio intervallo di temperature di esercizio senza pregiudicare il derating. La Figura 6 mostra la temperatura della custodia del TPS25985.
Figura 6: temperatura della custodia del TPS25985 a VIN = 12 V, IOUT = 50 A, Tamb = 25 °C
Conclusione
Gli ingegneri progettisti possono ridurre i tempi di sviluppo e il costo del progetto utilizzando gli eFuse TPS25985 e TPS25990 in architetture di alimentazione dei server. La bassa RDS(on) degli eFuse riduce le perdite di potenza nel sistema e aiuta quindi i data center a raggiungere i loro obiettivi di efficienza. Una maggiore densità di potenza migliora le capacità di elaborazione del data center e offre agli utenti finali un’esperienza senza soluzione di continuità su tutti i loro dispositivi data-connected. Le migliori capacità di diagnostica, scalabilità e configurazione degli eFuse possono aiutare i data center a ridurre al minimo i tempi di inattività, contribuendo quindi a preservare la continuità del servizio e la loro capacità di offrire ai clienti elevate percentuali di uptime garantito.
