Potenze superiori a 1 kW per gli Ibc di nuova generazione

CONVERTITORI –

I progressi nel campo della progettazione dei convertitori Ibc e decisioni appropriate prese a livello di sistema permetteranno di ottenere potenza di 1 kW con la garanzia di un funzionamento efficiente e affidabile.

La densità di potenza è divenuta un fattore critico nella progettazione delle schede destinate all'uso nelle apparecchiature di telecomunicazione e nei server di fascia alta. L'integrazione sempre più spinta ha permesso di includere all'interno di un unico SoC non solo un gran numero di core di processori, ma anche la logica di supporto. Per sfruttare i vantaggi, in termini di riduzione degli ingombri, di questi SoC gli Oem si pongono l'obiettivo di installare più SoC su ciascuna scheda logica che concorre a formare il sistema finale. Ma non bisogna dimenticare che per ciascuno di essi la potenza in gioco è molto simile a quella dei processori delle precedenti generazioni che erano ospitati in package di dimensioni superiori. Il risultato è un aumento della potenza richiesta ai convertitori Ibc (Intermediate bus converter), noti sotto il nome di "brick", che la rendono disponibile, ovviamente regolata in modo più preciso, ai convertitori PoL (Point of Load) che supportano ciascun SoC. Un ventennio fa, un valore limite realistico di potenza per i brick poteva essere 150 W. Al giorno d'oggi i convertitori in formato ¼ brick (che occupano un'area sulla scheda di appena 21 cm2) possono supportare potenze fino a 864 W (con previsione di superare 1 kW). Alcune proiezioni indicano che le potenze in gioco in un futuro non molto lontano saranno dell'ordine di 3 kW - necessarie per soddisfare le esigenze di array di processori a elevato grado di integrazione e dei relativi sottosistemi di memoria - con conseguente incremento della richiesta di brick capaci di operare in parallelo. Per affrontare in maniera efficace problematiche come quelle appena esposte è necessario prendere decisioni a livello di sistema.

Decisioni a livello di sistema

Quando le potenze superano il kW, l'esigenza di avere un'elevata potenza in uno spazio ridotto comporta l’analisi della gestione termica. L'efficienza dei brick tende, in maniera asintotica, a raggiungere una percentuale del 100%. Anche in presenza di percentuali molto ridotte di potenza dissipata il calore generato da un convertitore ad alta densità da 1kW (e oltre) può essere una quantità significativa. Per il raffreddamento delle apparecchiature i due metodi più usati sono la conduzione e la convezione e il flusso d'aria riveste quindi un'importanza cruciale nel progetto di un sottosistema di potenza. Gli alimentatori di tipo open frame o montati su scheda di tipo planare godono di una larga diffusione in quanto le loro configurazioni permettono di migliorare le prestazioni termiche. Nel mondo reale, è noto, le prestazioni dipendono dalle condizioni operative. L'orientamento rispetto al flusso d'aria è un aspetto molto più critico di quando non lo sia per gli alimentatori chiusi: ciascuna dei quattro possibili orientamenti può essere il migliore per una determinata situazione. Nel momento in cui aumenta la differenza di temperatura tra i componenti, tutti i componenti critici dovranno essere monitorati nel corso del collaudo termico. I progettisti possono analizzare le curve di derating per valutare le prestazioni di un brick di tipo "open frame", anche se per il progetto della scheda un elemento che ha un peso rilevante è il flusso d'aria effettivo nel caso peggiore.

Il problema dell’isolamento

La configurazione in parallelo degli alimentatori, utilizzata in applicazioni dove sono richieste potenze elevate, richiede una particolare attenzione al problema dell'isolamento che ha un impatto sull'efficienza e quindi sulle prestazioni termiche. I convertitori Ibc di tipo non regolato, sebbene caratterizzati da un'efficienza migliore rispetto agli analoghi dispositivi di tipo regolato, non sono adatti per tutte le situazioni, come ad esempio nel caso dei sistemi alimentati a batteria con ampio range di ingresso o quando gli alimentatori sono in configurazione parallela. Nel caso del funzionamento in parallelo, in particolare, a causa dell'alto rischio di una sovracorrente continua, i convertitori Ibc non isolati sono soggetti al rischio di surriscaldamento che produce un drastico calo dell'affidabilità e della durata operativa, con conseguente aumento del costo di possesso. Se il sistema richiede una potenza isolata, il livello di isolamento può influenzare sia l'efficienza sia il comportamento termico. Gli standard di sicurezza spesso impongono un livello di isolamento ma è importante tenere in considerazione gli standard che effettivamente interessano. In alcuni casi le pressioni esercitate da fornitori e clienti possono portare ad avere livelli di isolamento più elevati rispetto a quelli necessari. Alcuni produttori indicano un isolamento di 2250 Vdc per alcuni progetti ma un livello di isolamento simile è richiesto solo per i dispositivi PoE (Power over Ethernet) che non supportano i livelli di potenza previsti in applicazioni di comunicazioni dati ed elaborazione a elevata densità. Solitamente tensioni di isolamento più elevato hanno un effetto negative sull’efficienza dell'alimentatore. Di conseguenza è importante comprendere e aver chiaro che tipo di requisiti, in termini di sicurezza e di isolamento, i brick di potenza ad alta densità devono soddisfare. Generalmente gli alimentatori Ac/Dc utilizzati nelle apparecchiature Ict hanno un isolamento rinforzato o un doppio isolamento tra l'alimentazione di linea in Ac e l'uscita in Dc. Oltre a ciò, l'ingresso e l'uscita degli alimentatori montati su scheda si collegano a una messa a terra protettiva. Il sistema quindi integra due livelli di protezione contro le sollecitazioni elettriche e pericoli imputabili all'energia elettrica. In tutte le implementazioni di sistemi reali, per gli alimentatori montati su scheda l'isolamento funzionale risulta più che adeguato. Se la tensione di ingresso normale supera 60 Vdc, è necessario superare i test relativi alla rigidità dielettrica e alle condizioni di guasto. La tensione di isolamento nella prova di rigidità dielettrica dipende dalla tensione di ingresso e dalla tensione di lavoro del circuito dell'Ibc, tipicamente compresa tra 1000 e 1500 Vdc. I Bmps isolati disponibili sul mercato sono caratterizzati da una tensione di isolamento di 1.500 Vdc, valore che è divenuto uno standard "de facto". Per soddisfare la richiesta di efficienza, alcuni produttori sono stati costretti a ridurre a 750 Vdc il valore della tensione di isolamento, aumentando in tal modo l’efficienza. In base agli studi condotti da Ericsson, l'avvento di nuove tecnologie come ad esempio il rapporto regolatore ibrido permetterebbe di ottenere elevati livelli di efficienza e di densità di potenza anche in settori diversi da quello della comunicazioni dati, ad esempio nel segmento dell'Ict, dove gli standard di sicurezza, come ad esempio Iec 60950-1, sono più severi.

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