רשתות פיזור החשמל במעגל נמצאות על פרשת דרכים

10 יוני, 2021

היישומים החדשים כמו מכוניות חכמות ותשתיות ענן מוכוונות בינה מלאכותית, משנים את פני ארכיטקטורות פיזור ההספק בתוך המערכת האלקטרונית. המגמה המסתמנת: מעבר מהשימוש המסורתי ב-12V אל שימוש במתחים גבוהים בהרבה

מאת: הנריק דברובסקי, Vicor Corporation

הכתבה בחסות חברת Vicor

בכל מוצר אלקטרוני קיימת רשת אספקת חשמל (Power Delivery Network – PDN) המורכבת מכבלים, פסי צבירה, מחברים, וסתים וממירי AC-DC ו-DC-DC. השליטה בביצועי ה-PDN תלויה בארכיטקטורה הכוללת שלה ובמדדים דוגמת אופן הפצת מתחי ה-AC וה-DC, רמות המתח והזרם וכמה פעמים הרשת זקוקה להמרת מתחים ולוויסות מתחים.

לאורך השנים התקבלו מספר תקנים בתעשיות שונות, כמו השימוש ב-270V ו-28V בתעשיות התעופה והביטחון, מתח שלילי של 48V בתשתיות תקשורת או מתח של PDN שאומץ על-ידי תעשיית הרכב לאחר-מכן התקבל כתקן בשרתי מחשבים ויישומים תעשייתיים. תעשיות ענק מתבססות על רשתות PDN סטנדרטיות.

אולם כאשר תעשיות שלמות עוברות לרשתות PDN חדשות, כמו 48V, 400V ו-800V, יש צורך בטכנולוגיות אספקת חשמל חדשות. בתחומים כמו מחשוב ארגוני, מערכות עתירי עיבוד (HPC), תשתיות תקשורת ורשת, וכלי-רכב חכמים יש צורך משווע ליותר חשמל. הניהול של מערכות כאלה נעשה קשה מאוד כאשר ה-PDN מבוסס על 12V.

הופעת רשתות ה-48V

תעשיית הטלקום עושה שימוש נרחב ב-PDN מבוסס 48V. זוהי אופציה מצויינת מכיוון שזהו מתח נמוך המצמצם מאוד את הסיכון של הלם חשמלי, כבל מדיד קטן יכול לשאת את הזרם שנאלץ לעבור מרחקים ארוכים עם הפסדי מתח קטנים ודרישת ה"תמיד פועל" גרמה לתעשייה להשתמש בסוללות נטענות 12V המחוברות בטור כדי לספק 48V.

אולם כיום נאלצת תשתית ה-PDN 48V לתמוך בעומסים חדשים הכוללים מערכי מעבדי רשת, זיכרון ועומסי בקרה. הדבר היווה אתגר מכיוון שרוב הטכנולוגיות הקיימות התמקדו ביכולות של 12V עם ממירים מוליכים למחצה ורכיבי ויסות שמותאמים למתח הפעלה זה. כדי לפתור את הבעיה, פותחה ארכיטקטורת Intermediate Bus Architecture – IBA שהפכה לתקן דה-פקטו ביישומי תקשורת ותשתיות רשת. פותחו ממירי פס ביניים (IBC) שהם ממירים מבודדים בעלי יחס המרה של 1:4 והותקנו במארזים העומדים בתקני DOSA ו-POLA כדי לאפשר ריבוי מקורות.

ממירי DC-DC של Vicor בעלי יחס המרה קבוע
ממירי DC-DC של Vicor בעלי יחס המרה קבוע

בידוד לא היווה דרישת בטיחות עבור ה-SELV IBA מכיוון שמסופי סוללה חיוביים נקשרו להארקה כדי לעצור את הקורוזיה הגלוונית, וכתוצאה מכך נוצר מתח 48V שלילי. באמצעות שימוש בממיר מבודד בעל יחס קבוע בתפקיד שנאי DC-DC, ניתן להשתמש בכניסת 48V שלילת כדי לספק מתח חיובי של כ-12V לווסתי נקודת העומס (PoL) ברשת ה-PDN.

יישומים מתקדמים כגון בינה מלאכותית (AI) במרכזי נתונים מובילים את המעבר מ 12V ל-48V PDNs ואת נטישת ה-IBA בארכיטקטורות חדשות. העלייה המשמעותית ברמות הספק של המעבדים ומסדי השרתים שקשורים אליהם פשוט חרגה מעבר לכמות ש-12V ו-IBA יכולים לספק. במקביל, בשוק הרכב מתחילות להופיע סוללות 48V כדי לתמוך בפיתוח מערכות הנעה היברידית ומערכות בטיחות ובידור.

רשתות PDN במתח גבוה

כניסתן של דרישות צריכת חשמל גבוהות יותר מביאות לשימוש ב-PDNs מבוססי 380V ו-48V אולם היישום מורכב יותר מכיוון שתעשיות רבות עדיין מנסות לשמור על תשתית הדור הקודם של 12V בנקודת העומס. אתגרים נוספים מגיעים בצורת מקורות חשמל חדשים כגון סוללות 800V ברכב חשמלי (EV). ביישומים החדשים באלה ניתן לחלק אספקת חשמל לשלושה חלקים בסיסיים: המרת כוח בתפזורת ל-48V, המרה ולעתים ויסות מ-48V ל-12V, ואספקת חשמל לנקודת עומס (PoL) עם המרה ועם ויסות מ-12V ו-48V אל המתח הדרוש.

אספקת חשמל בתפזורת

ההזדמנויות לחדשנות בהמרת מקור המתח לרמת הביניים של  48V מצויות בהשגת צפיפות הספק גבוהה יותר, מודולריות, שימוש בטכניקות קירור מתקדמות, דוגמת אריזות שטוחות בעלות יכולת פיזור חום, ושימוש בממירים לא מיוצבים ויעילים בעלי יחס המרה קבוע, כאשר הוויסות מתבצע ברכיבי הקצה.

ככל שרמות ההספק ממשיכות לעלות, האתגרים בתכנון מערכות חשמל בתפזורת נעשים מורכבים יותר. ניהול הגודל והמשקל של ממיר חשמל בתפזורת וקירורו בשל הפסדי הספק גבוהים יותר הם תחומי המיקוד העיקריים ברוב היישומים. אם גודל ומשקל אינם מהווים בעיה, ניתן להשיג יעילות גבוהה מאוד וניהול תרמי באמצעות קירור עם מאוורר. עם זאת, רוב היישומים דורשים צפיפות הספק גבוהה יותר. המפתחים צריכים לשקול את היתרונות של השימוש במודולי הספק לתכנון ובניית ממירים גדולים אלה.

כאשר מקור החשמל הוא AC או DC במתח גבוה,  נדרש בידוד. דרגת הבידוד מגדילה את הפסדי ההספק בכל ממיר, אך ייתכן שלא יהיה צורך בוויסות אם ה-PDN של פס הביניים מכיל ויסות של רמת ה-PoL (48V-012V). כאן השיקולים המרכזיים הם טווח המתחים של הממירים ושל הווסתים, והאם המערכת זקוקה לתיקון מקדם ההספק במקרה של מקור מתח תלת-פאזי.

מרכזי נתונים ומחשוב גדולים (exascale) דורשים בדרך-כלל הספק עיבוד מרבי בחלל סגור, ולכן הם נהנים מאוד מרכיבים בצפיפות גבוהה ומטכניקות קירור מתקדמות. במקרים מסוימים מוטמע קירור בטבילה מלאה כאשר השרת כולו ממוקם בתוך אמבט של נוזל קירור (fluorinert). במקרים אחרים משתמשים בטכניקות קירור כמו טכנולוגיות צינור חום ופלטת קור. ביישומים כאלה נדרש מארז שטוח בפרופיל נמוך לצורך שלבי ההמרה והוויסות.

חדשנות בפסי ביניים (Intermediate Bus) ואספקת חשמל בנקודת העומס

ההזדמנויות לחדשנות ברמת פס ביניים של 48V מצויות בשימוש בממירים ולא מבודדים בעלי יחס המרה קבוע, פריסת מודולי המרה בעלי צפיפות הספק גבוהה ושימוש בארכיטקטורה בעלת ביצועים טובים מאשר IBA, דוגמת Factorized Power Architecture – FPA. מקסום אספקת החשמל ב-48V קרוב ככל האפשר לווסתי ה-PoL יצמצם את  גודל, משקל ועלות הכבל והמחברים.

אילוצי התפוסה של PoL הם לרוב בעייתיים, כך שהממיר צריך להיות בעל צפיפות הספק ויעילות גבוהה. ממיר פס לא מבודד בעל יחס קבוע הוא האפשרות הטובה ביותר כל עוד וסתי ה-PoL יכולים להתמודד עם שינויי המתח. בתכנונים שבהם יש למקור (למשל סוללת 48 וולט) טווח מתחים פלט רחב, ייתכן שיהיה צורך בממירי DC-DC מווסתים, בהתאם למיפרט של וסת ה-PoL. הוספת ויסות לשלב ה-48V-12V מפחיתה את יעילות הממיר ב-2%-4%, בהתאם לטופולוגיה שלו.

ארכיטקטורת ההספק המבוזר (FPA) של Vicor או FPA כוללת ממיר מסוג חדש המכונה מכפיל זרם, אשר מסוגל להמיר מתח 48V לטעינה ישירה ביעילות ובצפיפות גבוהה, וממוקם קרוב מאוד לעומס. ביישומים בעלי זרם גבוה הדבר מהווה יתרון גדול מכיוון שהוא מקטין את עכבת ה-PDN בין הממיר לעומס, ועל-ידי כך מצמצם את ההפסדים. לסיכום: ככל שרמות ההספק עולות בענפים רבים, מעבר של ה-PDN למתח גבוה יותר עשוי להקל על האתגרים, אך גם להוסיף מורכבות. מהנדסי מערכות חשמל צריכים להעריך טופולוגיות וארכיטקטורות חדשות.


אודות: חברת Vicor הינה חברת טכנולוגיה עולמית מובילה למודולים חשמליים, שמתמקדת באספקת פתרונות מודולריים מתקדמים בעלי ביצועים גבוהים עבור מעצבי מערכות חשמל כדי לסייע להם באתגרי תכנון החשמל הקשים ביותר שלהם. אנו מקדמים באופן רציף את יכולות הצפיפות, היעילות ואספקת החשמל של המודולים החשמליים שלנו. אתר החברה: www.vicorpower.com

Share via Whatsapp

פורסם בקטגוריות: חדשות