Bild 3: Referenzboards für die schnelle Evaluierung und Entwicklung sind von den PSA-Mitgliedsunternehmen erhältlich. PSA

(Bild: PSA)

Eckdaten

In diesem Beitrag untersucht Flex, ein Gründungsmitglied der PSA, die Vorteile der neuen Allianz für Kunden sowie die Spezifikationen, die die Kompatibilität definieren. Zudem werden die Vorteile der direkten 48-V-Wandlung in Anwendungen wie Rechenzentren, die immer mehr Energieeffizienz erfordern, näher erläutert.

Modernes Supply-Chain-Management und viele Unternehmensrichtlinien verlangen, dass für kritische (wenn nicht alle) Komponenten eines Designs mindestens eine alternative Bezugsquelle zur Verfügung steht. Dies schützt OEMs vor Verfügbarkeitsproblemen und ermöglicht ein gewisses Maß an Wettbewerbsfähigkeit zwischen Anbietern, wodurch sich die Kosten kontrollieren lassen.

Die Hersteller von Stromversorgungsmodulen sind jedoch bekannt dafür, ihre eigenen Footprints und mechanischen Abmessungen zu entwickeln, das heißt ein Wechsel der Zulieferer ist zwar möglich – in der Regel ist jedoch ein Redesign der Leiterplatte erforderlich. Dies verursacht zum einen Kosten und kann einen langwierigen Prozess nach sich ziehen mit entsprechenden Risiken.

Um dieses Problem zu adressieren und ein gewisses Maß an Standardisierung zu erzielen, wurden im Bereich der Stromversorgungsmodule verschiedene Allianzen entwickelt. Eine der neuesten Allianzen ist die PSA, die stark auf fortschrittliche Module mit hohen Strömen für Prozessoren, Speicher und ASICs ausgerichtet ist. Die Technologie kann aber auch in anderen Anwendungen zum Einsatz kommen.

Hauptziel der PSA

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PSA-Anwendung mit zwei CPUs und zwei Speicherbänken. PSA

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In größeren Systemen steuert das Hauptmodul die Satellitenmodule. PSA

Das Hauptziel der PSA besteht darin, Standard-Stromversorgungsmodule (Power Stamps) aus mehreren Quellen für die Wandlung von 48 V Nennspannung in niedrige Spannungen bei hohen Strömen bereitzustellen. Um möglichst viele Module unterzubringen und zukunftssicher zu machen, ist die PSA-Architektur hinsichtlich Leistung/Strom vollständig skalierbar.

PSA hat beschlossen, sich darauf zu konzentrieren, Footprint und Funktion nur für die auf ST Microelectronics basierenden Power Stamps festzulegen, wobei die elektrische Leistungsfähigkeit von jedem der PSA-Mitgliedsunternehmen selbst bestimmt wird.

Die derzeitigen Mitglieder sind die vier Gründungsmitglieder Flex, Artesyn Embedded Technologies, Bel Power Solutions und ST Microelectronics. Weitere Unternehmen, die PSA-kompatible Produkte entwickeln, können beitreten, wodurch Anwender eine noch größere Auswahl erhalten.

Außerdem schreibt die PSA vor, dass die Module aus bestehenden Prozessen erstellt werden sollten, um eine Serienfertigung mit minimalem Risiko zu ermöglichen, was eine hohe Verfügbarkeit von Produkten und das Aufrechterhalten der Lieferkette sicherstellt.

Auf Systemebene basiert die PSA auf 100-A-Modulen. Systeme können mit bis zu sechs Modulen (einem Hauptmodul und bis zu fünf Satellitenmodulen) konfiguriert werden, wodurch das System mit 600 A ausgestattet ist. Wenn während des Betriebs der Strombedarf abnimmt, ermöglicht die integrierte Steuerung die automatische Deaktivierung von Satellitenmodulen, was einen sehr guten Wirkungsgrad über einen weiten Strombereich von 100 bis 600 A gewährleistet.

Bis zu 400 A am Prozessor

Während die mechanischen Abmessungen der PSA-Module festgelegt sind, wurden die Abmessungen der Anwendung für einen maximalen Benutzerkomfort definiert. Vier PSA-Module können entlang eines 58 mm × 58 mm großen Prozessors platziert werden, sodass lokal bis zu 400 A am Prozessor erzeugt werden können, wodurch keine langen Stromschienen erforderlich sind.

PSA-Module werden auf der Sekundärseite vollständig digital geregelt und ermöglichen so eine PM-Bus-AVS- oder Standard-SVID-Steuerung. Diese Standards sind vollständig in die Module integriert, sodass sich die Stromversorgung für jede Art von Anwendung optimieren lässt.

Bei Verwendung mit zwei VR13-HC-Prozessoren und zwei Bänken mit DDR-Speicher (als Beispiel) sind bis zu 400 A für den Prozessor und 200 A für jede Speicherbank erforderlich.

Der Strombedarf eines solchen Systems lässt sich mithilfe mehrerer Module abdecken. Dabei fungiert das Hauptmodul als Steuerstufe für bis zu fünf Satellitenmodule und liefert selbst bis zu 100 A Strom. Die Satelliten bieten jeweils einen Strom von bis zu 100 A und werden ausschließlich vom Hauptmodul gesteuert. Es ist keine direkte Benutzeroberfläche für die Satelliten erforderlich. Satelliten, die aufgrund dynamisch wechselnder Lasten nicht benötigt werden, kann das Hauptmodul automatisch deaktivieren (und wieder aktivieren), wodurch sichergestellt wird, dass jederzeit ein optimaler Wirkungsgrad erreicht wird.

Thema der nächsten Seite: Einfache Verbindung zwischen den Modulen

Größe und Footprint der Haupt- und Satellitenmodule werden von der PSA definiert, wobei beide Module den gleiche Footprint aufweisen. Das Hauptmodul verfügt über eine separate Steuerplatine mit einem darauf integrierten Satellitenmodul und LGA-PAD-Anschlüssen, während der Satellit Blockpins verwendet. Das Pin-Layout wurde viel diskutiert, sodass ähnliche Signale in Gruppen zusammengefasst und nahe am Rand platziert wurden, um eine einfache Verbindung zwischen Modulen zu ermöglichen. In der Nähe der Modulmitte befinden sich die Masseverbindungen.

Entwickler können über jedes PSA-Mitglied auf Referenzdesign-Boards zugreifen, um ein schnelles Prototyping und die Entwicklung PSA-Modul-basierter Stromversorgungen durchzuführen. Die PSA-Mitglieder entwickeln oder bieten bereits PSA-kompatible Module mit Ausgangsspannungen von 0,9; 1,0 und 1,8 V.

Vorteile der direkten Wandlung

Bild 4: Zweistufige Wandlung mit IBC und separatem Nipol. Flex Power Modules

Zweistufige Wandlung mit IBC und separatem Nipol. Flex Power Modules

Eine der bemerkenswertesten Eigenschaften der PSA ist die direkte Wandlung der 48-V-Schiene in die von der Last benötigte Spannung. Bis vor kurzem wurde die Mehrzahl der Stromversorgungen für Tele- und Datenkommunikationsanwendungen mit einer zweistufigen Wandlung ausgestattet, bei der die teilgeregelte 48-V-Verteilerschiene über einen Zwischenbuswandler (IBC; Intermediate Bus Converter) in 12 V umgewandelt wurde.

In dieser Zwischenbusarchitektur (IBA) stellt der IBC die erste Wandlungsstufe und auch die Isolierung des Systems bereit. Eine zweite Wandlung erfolgt dann über nicht isolierte Point-of-Load-Wandler (niPOL), die die 12V-Zwischenschiene in die von der Last benötigten Spannungen umwandelte – auf die niedrigen Spannungen für Prozessoren, Speicher und ASICs.

Obwohl dieser Ansatz einige Vorteile bietet, unter anderem einen einzigen Isolationspunkt, der die Gesamtsystemkosten im Vergleich zu früheren verteilten Stromversorgungsarchitekturen mit mehreren isolierten Modulen niedrig hält, ist der größte Nachteil der relativ geringe Wirkungsgrad im Vergleich zu den neuesten Modulen mit einer einzigen Wandlungsstufe, die durch Verbesserungen in der Bauteiltechnik möglich wurden.

Bild 5: Die direkte Wandlung ist effizienter als die zweistufige Wandlung. Flex Power Modules

Die direkte Wandlung ist effizienter als die zweistufige Wandlung. Flex Power Modules

Während der IBC und niPOL im Stand-alone-Modus einzeln hohe Wirkungsgrade aufweisen (bis zu 96 beziehungsweise 90 %), verringert dies die Gesamtwandlungseffizienz von 48 V auf die Last auf etwa 86,4 % (kumuliert). Im Vergleich dazu kann ein einstufiger isolierter direkter Wandler (zum Beispiel ein Power Stamp) bei gezielten Belastungen einen Wirkungsgrad von >91 % erreichen.

Bei der hochleistungsfähigen Prozessor-/Speicheranwendung, die 600 A bei 1 VDC erfordert, würde die zweistufige Wandlung mit einem Wirkungsgrad von 86,4 % etwa 94,4 W Verlustwärme erzeugen, während die einstufige Umwandlung dies um 35 W (>37 %) auf  59,4 W verbessert.

Reduzierte Verluste

Ein zusätzlicher Vorteil bei der einstufigen Wandlung und Verteilung von 48 V ist, dass der Strom in den Sammelschienen nur 25 % des Stroms in zweistufigen Wandlungssystemen ausmacht, die 12 V verteilen. Infolgedessen reduzieren sich die Verluste in den Sammelschienen (I2R) auf 1/16 derjenigen des zweistufigen Systems.

Diese Zahlen mögen als klein erscheinen und beziehen sich auf eine einzelne Kombination aus Prozessor und Speicher. Selbst in einem relativ bescheidenen Rechenzentrum gibt es aber Tausende von Prozessoren, sodass die bescheidenen Einsparungen pro Prozessor insgesamt sehr groß werden. Dadurch sinken nicht nur die Betriebskosten, auch die Leistungsbilanz wird um etwa 50 % verringert. Dies bedeutet, dass wesentlich mehr Strom auf gleichem Raum wie zuvor bereitgestellt werden kann oder die Stromversorgung kleiner ausfallen kann.

Bob Cantrell

Senior Field Application Engineer, Flex Power Modules

(neu)

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