Power delivery networks am Scheideweg

Von: Henryk Dabrowski, Vicor Corporation

Jedes elektronische Gerät hat ein Power Delivery Network (PDN), welches aus Kabeln, Stromschienen, Steckverbindern, Leiterbahnen für die Ströme auf den Leiterkarten sowie AC-DC und DC-DC Wandlern und Reglern besteht. Die Performance eines PDN wird hauptsächlich durch die gesamte Architektur bestimmt. Dazu gehören ein AC oder DC Verteilernetz, spezifische Spannungs- und Stromwerte und wie oft die Spannung transformiert und geregelt werden muss.

In verschiedenen Industriezweigen wurden viele PDNs in den vergangenen Jahren standardisiert. Im Verteidigungs- und Luftfahrtbereich werden 270V und 28V eingesetzt und -48V in der Kommunikationsinfrastruktur. 12V Netze (Bild 1), eingesetzt bei Fahrzeugen, wurden zum Standard für Server und Industrieapplikationen. Dadurch wurden für diese Standard PDNs Industriezweige mit Milliardenumsätzen aufgebaut.

Durch den Wechsel zu neuen PDNs mit 48V, 400V und 800V, ergeben sich erweiterte Möglichkeiten, die Performance durch nicht traditionelle Power Delivery Architekturen und Technologien deutlich zu verbessern.

Moderne Systeme bei Enterprise und High-Performance Computing, in Netzwerk Infrastrukturen, beim autonomen Fahren sowie in zahlreichen Transportapplikationen sind nur einige der schnell wachsenden Industrien, die mehr Leistung benötigen. Diese Systeme mit ihrer ständig wachsenden Anzahl von Lasten und den steigenden Leistungen pro Last (Bild 2), stellen für das Erzielen von High Performance komplexe Herausforderungen an das Design, solange dessen PDN auf 12 V basiert. Die Einführung höherer Spannungen ist ebenfalls eine Herausforderung und daher gibt es nachvollziehbare Gründe, einem Wechsel zu widerstehen. Der Einsatz von 12V Systemen hat eine lange und erfolgreiche Geschichte und ein mächtiges Ökosystem mit einem Versorgungsnetzwerk, welches über Jahrzehnte aufgebaut wurde.     

Die Entstehungsgeschichte von 48V

Die Telekom Industrie setzt 48V PDNs seit Jahrzehnten ein, da diese Spannung die beste Option ist:

1. Es handelt sich um eine Safety Extra Low Voltage (SELV), was ein geringes Risiko für einen gefährlichen Stromschlag bedeutet
2. Drähte mit geringem Querschnitt können ohne große Spannungsabfälle für die Stromleitung über große Distanzen eingesetzt werden.
3. Die Forderungen nach einer ständigen Bereitschaft zwang diese Industrie zum Einsatz von großen 12V Bleisäurebatteriebänken, die für die 48V in Serie geschaltet wurden.

Mit Internet, Laptops und Mobiltelefonen stieg die Komplexität der Netzwerkstruktur für die Kommunikation und die 48V PDN Infrastruktur musste die vielen, neuen und komplexe Lasten versorgen, welche aus Bündeln von Netzwerkprozessoren, Speichern und Kontrollsystemen bestanden. Dies war nicht so einfach, da ein Großteil der verfügbaren Technologien auf 12V konzentriert war und Halbleiterwandler und -regler für diese Betriebsspannung optimiert waren.

Um dieses 48V auf 12V Problem zu lösen (Bild 3), wurde IBA (Intermediate Bus Architecture) eingeführt und entwickelte sich rasch zum de-facto Standard in Kommunikations- und Netzwerk Infrastrukturen. Intermediate Bus Converters (IBC’s), isolierte, nicht geregelte Wandler mit einem festen Übersetzungsverhältnis von 1/4 wurden von verschiedenen Firmen entwickelt und in einem open frame Gehäuse produziert, das den DOSA und POLA Pinout Standards entsprach. Damit war Multi-Sourcing möglich.

Die galvanische Trennung wurde nicht aus Sicherheitsgründen für SELV benötigt. Um galvanische Korrosion zu verhindern, war der Pluspol der Batterien mit Erde verbunden, , womit sich eine negative 48V Spannung ergab. Durch den Einsatz eines isolierten Wandlers mit festen Übersetzungsverhältnis konnte aus -48V eine positive Spannung von +12V für die nachgeschalteten Point-of-Load (PoL) Regler erzeugt werden.

Moderne Applikationen wie künstliche Intelligenz (KI) in Datenzentren bestimmen den Weg von 12V und damit auch IBA hin zu 48V PDNs mit neuen Architekturen. Der deutliche Anstieg an Leistung für Prozessoren und den entsprechenden Server Racks hat einfach die Möglichkeiten von 12V und IBA überschritten.

Neue Gesetzesvorgaben sowie Standards für den CO₂ Ausstoß von Fahrzeugen, waren ein Katalysator in der Automobilindustrie für die Erforschung der Elektrifizierung von Fahrzeugen. Dadurch kamen neue 48V Batterien, welche neue Mild-Hybrid Antriebsstränge sowie Sicherheits- und Entertainment Systeme unterstützen.

Neue PDNs mit höherer Spannung

Durch die höheren Leistungsanforderungen in Systemen sind PDNs basierend auf 380V oder 48V komplexer, da viele Industriezweige weiterhin die bewährten 12V im Bereich der Last beibehalten wollen. Weitere Herausforderungen gibt es durch neue Hochspannungsquellen wie z.B. 800V Batterien in reinen Elektro- oder High-Performance Fahrzeugen.

In diesen neuen Systemen und Applikationen kann der Leistungspfad in folgende drei Elemente unterteilt werden:

1. Zentrale Wandlung auf 48V
2. Zwischenbus mit 48V und dann Wandlung auf 12V, manchmal auch mit Regelung
3. Geregelte Point-of-load (PoL) Wandler von 12V sowie 48V

Zentrale Leistungsversorgung

Die Möglichkeiten einer innovativen, zentralen Leistungsversorgung mit einer Zwischenspannung von 48V ergibt aus Folgendem:

1. Erzielung hoher Leistungsdichten
2. Einsatz eines modularen Ansatzes für Redundanz und Skalierbarkeit
3. Möglichkeit von innovativen Kühltechniken mit thermisch optimierten, planaren Gehäusen
4. Einsatz von hocheffizienten Wandlern mit festem Übersetzungsverhältnis. Die Regelung wird dann von den nachgeschalteten Komponenten übernommen

Mit den weiterhin steigenden Leistungen werden die Anforderungen an das Design einer zentralen Stromversorgung immer noch komplexer. In den meisten Applikationen liegt der primäre Fokus auf Größe und Gewicht des zentralen Wandlers sowie der durch die höheren Verlustleistungen notwendigen Kühlung. Wenn Größe und Gewicht keine Rolle spielen, kann man sehr hohe Wirkungsgrade erzielen und die Entwärmung kann mit Hilfe von Lüftern realisiert werden.

Bei den meisten Anwendungen wird aber eine höhere Leistungsdichte gefordert. Entwickler von Power Systemen sollten daher die Vorteile von Power Modulen für Design und Aufbau dieser leistungsstarken Wandler bedenken, anstatt ein diskretes Design von Grund auf zu entwickeln. Power Module in Verbindung mit modernen Architekturen, Topologien, Kontrollfunktionen und Gehäusen öffnen neue Wege für eine bessere Performance dieser zentralen Wandler.

Ist die zentrale Versorgung eine Wechselspannung oder eine hohe Gleichspannung (Bild 4), wird eine Isolation gefordert. Diese erzeugt Verluste in jedem Wandler, aber eventuell wird keine Regleung benötigt, da dieser Zwischenkreis wiederum geregelte Wandler für die Lasten enthält (z.B. von 48V auf 12V). Hierfür gibt es folgende zwei Überlegungen:

1. Spannungsbereich der Quelle: ein Wandler mit festem Übersetzungsverhältnis wirkt wie ein Transformator und bildet diese Spannung im Verhältnis der Windungszahlen bzw. des k-Faktors direkt am Ausgang ab. Auch der Eingangsspannungsbereich der nachgeschalteten Wandler und Regler muss kompatibel sein
2. Im Fall einer dreiphasigen Wechselspanung: benötigt das System PFC (Power Factor Correction)

Datenzentren und Exascale Computer benötigen höchste Prozessleistung auf eingeschränktem Platz und profitieren daher besonders von Komponenten mit hoher Leistungsdichte und modernsten Kühltechniken. Bei einigen Anwendungen wird für die Kühlung der komplette Server in ein Bad aus Fluorinert getaucht. Alternativ verwenden andere High Performance Computer eine Kühlung mit Heat Pipes und Kühlplatten. Hierbei werden für Leistungswandler und Regler im zentralen System flache, planare Gehäuse benötigt.

Neuerungen bei Lösungen für Intermediate Bus und Point-of-Load

Möglichkeiten für neue Ansätze beim 48V Intermediate Bus PDNs ergeben sich in folgenden Bereichen:

1. Verwendung von nicht isolierten Wandlern mit festem Übersetzungsverhältnis für die Umwandlung von 48V auf 12V
2. Einsatz von geregelten Wandlern mit hoher Leistungsdichte
3. Aufbau einer Architektur mit im Vergleich zu IBA besseren Eigenschaften: der Factorized Power Architecture (FPA)

Die Änderung von einem 12V Bus PDN zu einem 48V PDN bringt Herausforderungen aber auch Vorteile. Die 48V Busspannung so nah wie physikalisch möglich an PoL Regler bei der Last zu bringen reduziert Größe, Gewicht und Kosten für Kabel, Steckverbindungen, Leiterbahnen (Bild 5). Der Platz für PoL Regler ist meist sehr begrenzt, daher sollten diese eine hohe Leistungsdichte und optimale Wirkungsgrade aufweisen. Ein nicht isolierter Buswandler mit festem Übersetzungsverhältnis ist die beste Option, solange der PoL Wandler die Spannungsänderung am Eingang verträgt. Diese wird bestimmt durch die Spannung auf dem Bus geteilt durch das Übersetzungsverhältnis bzw. den k-Faktor des Buswandlers (V_IN / K = V_OUT). Hat der der zentrale Wandler eine vernünftige Regeltoleranz, ist dieser Ansatz möglich und auch vorteilhaft.

Haben der zentrale Wandler oder die Quelle (z.B. eine 48V Batterie) jedoch einen weiten Spannungsbereich, werden je nach Spezifikation der Eingangsspannung der PoL Regler eventuell geregelte DC-DC Wandler benötigt. Diese zusätzliche Regelung in der 48V auf 12V Stufe reduziert jedoch den Wirkungsgrad des Wandlers um 2%  bis 4%, je nach eingesetzter Topologie.

Für ein wirklich modernes PDN Design, mit deutlich besserer Performance und hoher Stromdichte an der Last, sollte als neue Architektur die Vicor Factorized Power Architecture oder FPA (Bild 6) in Betracht gezogen werden. Hier wird ein neuartiger Wandler, ein sogenannter Strommultiplizierer, direkt bei der Last eingesetzt. Er kann die 48V direkt auf die Lastspannung umsetzen und erzielt dabei hohe Wirkungsgrade und Leistungsdichten. Bei Hochstromanwendungen bietet dies große Vorteile, da die PDN Impedanz zwischen Wandler und Last eine Quelle für hohe Verluste sein kann und auch das Verhalten bei Lastsprüngen (di/dt) negativ beeinflusst.

Da dieser Strommultiplizierer ein festes Übersetzungverhältnis hat, benötigt man für eine komplette FPA Lösung eine vorgeschaltete Regelung. Um maximale Effizienz und Leistungsdichte bei gleichzeitiger Reduzierung der Verluste zu erzielen, arbeitet der Regler mit 48V Nominalspannungen am Ein- sowie am Ausgang. Für den Strommultiplizierer wird der K-Faktor ausgewählt, welcher für die Versorgungsspannung der Last benötigt wird.

Durch den Anstieg der Leistungen in vielen industriebereichen, kann der Wechsel zu einem PDN mit höherer Spannung Erleichterung aber auch zusätzliche Komplexität bringen. Power Systemingenieure sollten neue Topologien und Architekturen von neuen Lieferanten untersuchen, die nennenswerte Vorteile bei den Systemeigenschaften bringen. Fortschritt, Weiterentwicklung und Innovation erfordern ausnahmslos neues Denken, neue Ideen und neue Ansätze. Wenn sich die Anforderungen in Ihrem Markt verändern, sollten Sie offen für Möglichkeiten sein. Das Erforschen und Ausprobieren von Alternativen kann sich in vielerlei Hinsicht lohnen.

The Henrik paragraph at the end: Henryk Dabrowski verfügt über mehr als 25 Jahre Erfahrung in den Bereichen Technologieentwicklung, Handel und Führung. Als Vice President of Sales für EMEA ist Henryk dafür verantwortlich, mit Kunden zusammenzuarbeiten und die robustesten, effektivsten und innovativsten technologischen Lösungen einzuführen. Vor seinem Eintritt bei Vicor im Jahr 2013 hatte Henryk kommerzielle Positionen bei Halbleiterunternehmen wie Texas Instruments und Infineon sowie bei dem europäischen Komponentenhändler Rutronik. Im Juli 2005 erlangte Henryk den Status eines Chartered Engineers beim Institute of Engineering and Technology (IET) und dem Engineering Council UK und setzte seine berufliche Weiterentwicklung fort, indem er das Leadership-Programm an der Henley Business School absolvierte.

Henryk Dabrowski, Vicor VP of Sales for EMEA