Alimentatori +48 V per applicazioni datacom

Prima dell'avvento del packet switching, le reti circuit-switched erano in grado di processare soltanto traffico in banda vocale utilizzando un gran numero di amplificatori analogici, equalizzatori, e relay a solenoidi rotanti. Gli alimentatori a -48 V per questi sistemi erano compatibili con i grandi sistemi di batterie piombo-acido di elevate capacità necessari per soddisfare gli elevati tempi di servizio richiesti. Le sorgenti di energia alimentate da rete solitamente non erano regolate, il che si traduceva in un sistema di distribuzione le cui tensioni oscillavano tra i -75 V della high line di alimentazione e i -36 V al termine del ciclo di carica delle batterie di backup. I sistemi molto spesso caricavano troppo le batterie piombo-acido del giorno, il che si traduceva in una fuoriuscita di vapori acidi. I grezzi sistemi di carica e controllo, l'umidità, e la scarsa ventilazione nei locali batterie di quell'epoca, accentuavano la corrosione, così che gli ingegneri preferivano usare una tensione di distribuzione negativa dato che questa era d'aiuto a minimizzare e localizzare i prodotti di corrosione.

Nuove architetture
Dall'avvento del packet switching, e dalla conversione dei provider di telecomunicazioni in aziende di datacom, i Central Office hanno fornito comunicazione internet, video e voce attraverso comuni risorse digitali. I cambiamenti nelle architetture di rete risultanti da questo trend, in abbinamento agli avanzamenti nelle tecnologie dei componenti del sottosistema di alimentazione, hanno motivato rinnovamenti nello schema dei sottosistemi di alimentazione stessi: in particolare, il passaggio da tensioni negative di distribuzione a quelle positive. Batterie di recente progettazione, migliori controlli ambientali nei locali ad esse adibiti hanno contribuito a questo trend. Per esempio, la maggioranza dei nuovi miglioramenti in edifici e Central Office di aziende di datacom come AT&T, Deutsche Telekom, Orange e Verizon funzioneranno ora a partire da una distribuzione dell'alimentazione a +48 V. Questa variazione della polarità permette alle aziende di datacom di avvantaggiarsi di economie di scala per quanto riguarda l'hardware di distribuzione dell'alimentazione, già pesantemente utilizzati dai sistemi server-class di elaborazione dati di altri settori. Questo, tuttavia, è solo il cambiamento maggiormente visibile nella strategia della distribuzione dell'alimentazione che queste aziende stanno sfruttando. Il range di tensioni di uscita dei convertitori per datacom da Ac a +48V è sostanzialmente più stretto del precedente da Ac a -48V. Il range di tensione di distribuzione più stretto porta con se diversi vantaggi chiave.

Risparmi Selv
Data la più stretta tolleranza per la tensione di uscita, il limite su high-line per le linee di distribuzione telecom a +48 V è 60 V, che consente loro di qualificarsi come sistemi Selv (safety extra low voltage). I sistemi di distribuzione dell'alimentazione Selv sono meno costosi da progettare e costruire degli equivalenti sistemi che consentono tensioni più elevate, dato che non richiedono funzionalità di sicurezza aggiuntive per il personale. Oltre ai risparmi hardware, i tecnici di installazione e manutenzione per i circuiti non-Selv di più elevata tensione non necessitano delle certificazioni, quindi anche il costo del lavoro per queste funzioni è generalmente inferiore. I sistemi Selv sono anche maggiormente compatibili con sistemi ad alta densità rispetto ai sistemi che operino a tensioni più elevate poiché richiedono minori distanze di creepage e clearance. All'interno dei CO, la densità è una importante preoccupazione. Ai tempi dei circuiti switched, il consumo di potenza era solo di un paio di centinaia di Watt per metro quadro, mentre oggi quel dato è cresciuto fino a diversi kilowatt. Inoltre, la domanda consumer sta guidando il traffico di rete verso un tasso di crescita annuo per compound del 23%, proiezione al 2017 e, visti i costi immobiliari incrementali di un Central Office, massimizzare il throughput per unità di superficie diventa ora più che mai una priorità2.

Distribuzione Narrow-range
La distribuzione di alimentazione narrow-range a 48 V consente a progettisti di sistemi di attuare sui convertitori delle specifiche di maggiore efficienza e maggiore compattezza per carichi downstream come schede di rete e Cpu. L'efficienza di per sé non può guidare da sola i processi decisivi per la scelta dell'hardware ma, attivando maggiore densità, i convertitori ad alta efficienza energetica divengono convincenti per diversi motivi. Tra questi, i più importanti sono che permettono ai progettisti di erogare potenza e densità funzionali ai limiti pratici della tecnologia attuale, di ridurre al minimo il carico di raffreddamento, e mantenere alta l'affidabilità. I primi sistemi di distribuzione di alimentazione Selv 48 V mantenevano la loro uscita entro un ±20%. Gli attuali schemi offrono un più stretto range di uscita con una tolleranza del ±10% o persino inferiore. Come risultato, per alcune tecnologie, la stessa topologia di conversione che fornisce i +48 V ai sistemi di distribuzione può fornire anche un’uscita a 54 V restando entro il limite dei 60 V degli high-line Selv. Il funzionamento dell'apparato di distribuzione a 54 V riduce del 26% le perdite I2R in comparazione alle linee di alimentazione a 48 V. La tensione di alimentazione più elevata permette anche l'uso di Power over Ethernet all'interno della struttura per comunicazione on-site, sensori remoti, e funzioni di sicurezza di physical-plant.

Alta densità di potenza
Così come le topologie di conversione della potenza, gli schemi di dispositivi switching, e le tecnologie di power packaging hanno avuto avanzamenti, sono anche aumentati la capacità di potenza per-package e la densità complessiva di potenza. La densità grezza di potenza, tuttavia, non racconta l'intera storia, in special modo per i dispositivi 48 V input/1.x V output, in applicazioni con Cpu. Questi convertitori di potenza eliminano uno stadio sostituendo sia un intermediate bus Dc-Dc che il regolatore point-of-load (PoL) della Cpu, spesso in un footprint più piccolo del PoL di origine. Questo approccio consente ai progettisti di indirizzare l'alimentazione a 48 V sulla scheda della Cpu, riducendo le perdite I2R del Pcb di un fattore 16 o superiore. Un esempio di questo approccio è lo schema di riferimento 48 V VR12.5 di Vicor che elimina le topologie di conversione multi fase, riducendo quindi il numero di componenti e al contempo mantenendo la piena compatibilità con i requisiti di alimentazione Haswell. L'architettura riduce anche considerevolmente la necessità di immagazzinare energia nei condensatori, incrementando ulteriormente la densità di potenza. La riduzione del numero dei componenti e i minori requisiti di immagazzinare energia consente ai progettisti di posizionare il power train più vicino al processore. Ciò riduce induttanze parassite e perdite in quelle piste di alimentazione del processore che portano le correnti più elevate della scheda, e sono interessate dalle più ampie variazioni di corrente.

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