Batterie per alte temperature

SISTEMI DI POTENZA –

Il “condensatore chimico”: una nuova opzione per la progettazione di circuiti di memorie di back-up dei sistemi di computer.

I progettisti dei server per montaggio a rack sono consapevoli che la fornitura dell’alimentazione da parte della rete di distribuzione dell’energia elettrica non è affatto scontata. Questa è la ragione per cui i computer blade progettati per l’uso nelle centrali telefoniche e nei data center prevedono un circuito di memoria non volatile di back-up (di emergenza) dotata di un proprio alimentatore indipendente. Questa memoria di back-up immagazzina i dati di configurazione essenziali e altre informazioni che permettono ai blade di ripartire in maniera corretta una volta ripristinata l’alimentazione di rete. Poichè l’uso di sistemi di alimentazioni tradizionali, quali ad esempio le batterie e i supercondensatori, per le memorie di back-up impone vincoli stringenti ai progettisti di schede, in questo articolo si analizzerà un nuovo tipo di batteria che garantisce maggiori livelli di affidabilità per i computer blade per montaggio a rack e una più elevata flessibilità nel progetto della scheda.

I requisiti di sistema
Gli attuali circuiti di back-up per i blade utilizzano memorie flash, una tipologia di memoria non volatile economica e affidabile. Le memorie flash richiedono una potenza di ingresso relativamente alta per le operazioni di scrittura – tipicamente da 5 a 10 W per un periodo di parecchi secondi per ciascun GB di dati che viene scritto nella memoria. I server blade utilizzati nelle applicazioni di networking e telecom impiegano solitamente una delle due tipologie di dispositivi per fornire un’alimentazione di emergenza indipendente da quella di rete: celle prismatiche a ioni di litio oppure supercondensatori. Le prime hanno il vantaggio di garantire un’elevata densità di energia: la capacità necessaria può essere resa disponibile in un contenitore di piccole dimensioni, che risulta particolarmente idoneo nei progetti di computer blade dove lo spazio rappresenta un elemento critico. Per esempio la batteria LIP 423048 AJL di Varta Microbattery è caratterizzata da una capacità di 720 mAh e dimensioni del contenitore pari a 48 x 30 x 4.5 mm. Altri blade utilizzano invece supercondensatori per i circuiti di memoria di back-up: questi dispositivi supportano un’elevata corrente di scarica (e carica) richiesta per le operazioni di scrittura nella flash. Entrambi i tipi di batteria presentano lo stesso svantaggio nei sistemi per montaggio a rack: essi non sono in grado di resistere in modo affidabile alle alte temperatura: sia durante la carica sia durante la scarica. Per esempio, un supercondensatore da 1F prodotto da Panasonic è caratterizzato da una durata (nominale) di 1.000 ore di funzionamento a temperature fino a 70°C. Il funzionamento ad alta temperatura dei condensatori a doppio strato (la tecnologia su cui sono basati i supercondensatori) riduce in modo drastico la vita operativa. Nel caso delle batterie prismatiche a ioni di litio il problema è persino più accentuato: per i dispositivi di Varta Microbattery l’intervallo di temperatura nominale per la carica e la scarica è di appena 45°C, con un ciclo di vita di 400 cicli. A temperature superiori a 45°C, la durata si riduce drasticamente. Nel caso dei server per montaggio a rack, il problema è rappresentato dal fatto che il funzionamento ad alta temperatura è un evento inevitabile. Lo spazio costa e installazioni di questo tipo sono state progettate per assicurare un’elevata densità di elaborazione. In presenza di blade posizionati a stretto contatto gli uni con gli altri, ciascuno dei quali consuma oltre 200 W, la temperatura ambiente nelle centrali telefoniche può raggiungere 55°C. Il raffreddamento ad aria forzata è dunque necessario per mantenere i componenti ad alta potenza come ad esempio i processori a una temperatura di funzionamento sicura. In una configurazione di raffreddamento tipica, con un flusso d’aria che va dalla parte anteriore a quella posteriore (front-to-back), l’aria (relativamente) fredda a temperature ambiente entra nella parte anteriore del blade, ma nel momento in cui passa sopra i componenti più caldi si scalda. Questa aria calda si allontana dal blade dalla parte posteriore e il calore residuo che essa trasporta viene dissipate nell’aria ambiente. A questo punto è utile chiedersi l’influenza dei fenomeni appena descritti sui sistemi di memoria di back-up. Da quanto detto si evince che la parte anteriore del blade, dove il flusso d’aria è più freddo, è anche quello più richiesto da un progettista. Questa sezione infatti è ideale per il posizionamento dei componenti che richiedono un raffreddamento maggiore, come il processor e gli hard disk. Ciò significa anche che altri component posti lontano dalla presa d’aria in ingresso devono poter sopportare un flusso d’aria caratterizzato da una temperature superiore a 55°C. Come affermato in precedenza, la durata degli alimentatori indipendenti attualmente in uso diminuisce quando le temperature superano i 45°C. A questo punto è utile tenere in considerazione il fatto che la durata nominale dei server per data center e applicazioni telecom è di tre anni (dopo questo periodo essi vengono sostituiti). Il progettista di blade si trova quindi di fronte a una di queste due scelte, entrambe svantaggiose: utilizzare lo spazio nelle vicinanze della presa d’aria in ingresso per l’alimentatore di back-up, sottraendo di fatto aria fredda ad altri componenti che ne avrebbero bisogno, oppure posizionare l’alimentatore in una zona calda della scheda e accettare il fatto che la durata risulti inferiore a tre anni. L’utente del server deve quindi sostituire l’alimentatore prima della fine della durata operativa del server, un’operazione di manutenzione costosa e “fastidiosa” per gli utilizzatori.

I vantaggi di una cella NiMH avanzata
Per ovviare ai problemi appena esposti esiste ora un’alternativa. Le celle NiMH (Nickel Metal Hydride) sono caratterizzate da un’elevata affidabilità di funzionamento nei sistemi elettronici. Esse risultano particolarmente adatte per l’utilizzo in sistemi di emergenza e di back-up in quanto supportano la carica di mantenimento (ovvero la carica continua della batteria per evitare che essa si scarichi). Se si fornisce alla cella una corrente di pochi milliampere in modo intermittente, il sistema ripristina la potenza che viene dissipata a causa della inevitabili perdite garantendo in tal modo che la cella sia sempre completamente carica. Una batteria NiMH battery con carica di mantenimento sarà quindi in grado di fornire in uscita l’energia nominale quando viene richiesta. In passato la tolleranza al funzionamento alle alte temperature non rappresentava uno dei punti di forza delle celle NiMH. Allo stesso tempo, poiché la densità di energia è inferiore rispetto a quella di una cella al litio, una cella NiMH è più grande rispetto a una cella prismatica a ioni di litio a parità di capacità. I progettisti di blade, che devono integrare la maggiore densità di elaborazione possibile nel minor spazio possibile, in passato hanno optato per la tecnologia a ioni di litio. Grazie a una batteria di nuova concezione realizzata da Varta Microbattery, denominata V 500 HT (High Temperature), è ora possibile utilizzare le batterie NiMH nei server per applicazioni telecom. Nel modello V 500 HT, Varta Microbattery ha sostituito il classico materiale di sigillatura con una nuova tecnologia di sigillatura che prevede l’uso di un materiale sintetico ad alta temperatura che viene attaccato a un rivestimento proprietario. Tramite modifiche alla composizione dell’elettrolita con nuovi additivi che assicurano una migliore stabilità la batteria può essere caricata a temperature più elevate. Grazie a queste innovazioni Varta Microbattery ha realizzato una batteria come appunto V 500 HT caratterizzata da un elevato valore di temperatura nominale – fino a 85°C sia per la scarica sia per la carica. È anche prevista la possibilità di fornire una carica di mantenimento di 15 mA su base continua per 3 anni a 45°C.

I vantaggi in fase di progetto
L’utilizzo della batteria V 500 HT permette a un progettista di blade di posizionare un alimentatore di back-up indipendente in qualunque parte della scheda, anche in prossimità dello scarico dell’aria dove il flusso d’aria è relativamente caldo. Sostituendo una batteria a ioni di litio prismatico o un supercondensatore, il progettista può liberare spazio prezioso dove l’aria che scorre è più fredda. La batteria V 500 HT è stata ideata per applicazioni di back-up che prevedono l’uso di memorie flash. La capacità nominale di 510 mAh è sufficiente per scrivere 8 GB di dati nella flash. Disponibile in un contenitore di dimensioni pari a 24 x 34 x 6.5 mm, la nuova batteria è più piccola rispetto a un supercondensatore a parità di capacità di energia ed è caratterizzata da una tolleranza migliore nel funzionamento a elevata temperatura rispetto sia alle celle a ioni di litio sia ai supercondensatori. In grado di operare come un “condensatore chimico”, la batteria V 500 HT rappresenta una valida alternative per i progettisti di blade per montaggio a rack destinati ad applicazioni di networking e telecom, in grado di garantire una più elevata flessibilità nella stesura del layout e una maggiore affidabilità di prestazioni.

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