ביצועי הספק משופרים באמצעות המרה ביחס קבוע

בתמונה למעלה: Vicor power delivery networks for EV charging, conversion and delivery

מאת: פיל דייויס, סמנכ"ל מכירות ושיווק גלובלי, Vicor Corporation

הכתבה בחסות חברת Vicor

רוב העומסים האלקטרו-מכניים או מוליכים למחצה דורשים המרת מתח DC-DC אמינה וייצוב הדוק כדי לפעול כהלכה. ממירי DC-DC המבצעים את הפעולה הזו נקראים מייצבי נקודת עומס (point-of-load regulators – PoL) ומספקים טווח פעולה יציב מוגדר מראש. רשת אספקת המתח לממירים האלה (power delivery network -PDN) היא בעלת מורכבות מגוונת התלויה במספר ובסוג העומסים, בארכיטקטורת המערכת הכוללת, בהספק העומסים, וברמות המתח ודרישות הוויסות והבידוד.

מעצבי מערכות חשמל רבים מחשיבים ממירי DC-DC מווסתים כחיוניים לתכנון המערכות הכללי שלהם. יחד עם זאת, ויסות ברמת ה-PDN אינו הכרחי תמיד כדי לספק את המתח המתאים למייצבי נקודת העומס. במקרים רבים כדאי לשקול שימוש בממירי DC-DC בעלי יחס קבוע, המעניקים יתרונות משמעותיים לביצועי ה-PDN.

כיצד לייעל את רשת אספקת החשמל

ביצועי PDN נמדדים בדרך-כלל במונחים של הפסדי הספק, תופעות מעבר, גודל פיזי, משקל ועלות. במידה והעומסים במערכת הם בטווח של קילוואטים, רשת PDN בעלת מתח גבוה מפחיתה את הזרם במערכת (P= V•I), ומאפשרת להקטין את הגודל, המשקל והעלות (כבלים, פסי צבירה, מקצועות חשמליות מנחושת בלוח האם), לפי המשוואה: PLOSS = I2R). מכאן שלהבאת המתח הגבוה ככל האפשר אל נקודת העומס שבה הוא מומר למתח נמוך יותר יש יתרון גדול.

עם זאת, הדבר דורש ממיר DC-DC יעיל ובעל צפיפות הספק גבוהה. אם דרושה המרה במדרגת מתח גבוהה מאוד, כמו למשל המרת מתח של 800V-400V למתח של 48V, הממירים היעילים ביותר יהיו ממירים בעלי יחס קבוע שאינם מוגבלים על-ידי דרישות ויסות מחמירות. הם מציעים צפיפות הספק טובה יותר וניהול תרמי קל בזכות פיזור הספק נמוך יותר.

ממיר בעל יחס המרה קבוע

ממיר בעל יחס המרה קבוע פועל כמו שנאי, אך במקום לבצע המרת AC-AC, הוא מבצע המרת DC-DC, כאשר היחס בין מתח הכניסה ומתח המוצא הוא קבוע. היחס הזה נקרא גורם K, ובדרך-כלל הוא נע בין K = 1 ועד ל-K = 1/72, בהתאם לארכיטקטורת ה-PDN ודרישות מייצב ה-PoL.

מתח PDN אופייני נע בין מתח נמוך (LV) למתח גבוה (HV) למתח גבוה במיוחד (UHV), כאשר ממירים ביחס קבוע יכולים להיות מבודדים או לא מבודדים, ולספק זרימת חשמל דו-כיוונית עם המרת מתח הפוכה. לדוגמא, ניתן להפעיל ממיר K = 1/16 בעל יחס קבוע ויכולת דו-כיוונית גם כממיר מאיץ עם K בגובה 16/1.

רשתות PDN עוברות שינויים רבים עקב דרישה גואה להספק בקצות הרשת וביישומים רבים. ככל שמתווספות תכונות חדשות ורמות הביצועים מתקדמות, נעשה שימוש במתח גבוה יותר ב-PDN, למשל 48V בכלי-רכב חשמליים והיברידיים. מתח של 48V עומד בתקן הבטיחות SELV (משוואות ההספק הפשוטות P = V•I ו-PLOSS = I2R, מסבירות מדוע PDN במתח גבוה יעילה יותר).

כלומר, עבור רמת הספק נתונה, הזרם נמוך פי ארבעה ב-48V מאשר במערכת 12V ויש לו הפסדים נמוכים פי 16. במצב כזה הכבלים והמחברים יכולים להיות קטנים יותר, קלי משקל וזולים יותר. סוללת 48V בכלי-רכב היברידי היא בעלת הספק גדול פי ארבעה מסוללת 12V.

כניסת הבינה המלאכותית אל מרכזי הנתונים הגדילה את צריכת ההספק של מסדי המחשבים ליותר מ-20kW, דבר שהפך את השימוש ב-PDN 12V למגושם ולא יעיל. השימוש ב-PDN 48V מאפשר להשיג את אותם היתרונות שיש בכלי הרכב ההיברידיים. בשני המקרים האלו, ההעדפה היא לשמור על עומסי 12V מהדור הקודם ולהשתמש בווסתים מוכנים מהמדף כדי לצמצם את מספר השינויים שיש לבצע.

מימין: פתרון Vicor NBM2317 מאפשר המרה דו-כיוונית יעילה 48V-12V במסדי שרתים. משמאל: ארכיטקטורת 48V מבוזרת ברכב חשמלי. ממירים קטנים וחסכוניים ממוקמים בסמוך לעומסי ה-12V.
מימין: פתרון Vicor NBM2317 מאפשר המרה דו-כיוונית יעילה 48V-12V במסדי שרתים. משמאל: ארכיטקטורת 48V מבוזרת ברכב חשמלי. ממירים קטנים וחסכוניים ממוקמים בסמוך לעומסי ה-12V.

פתרון בעיות באמצעות ממירי יחס קבוע לא-מבודדים

מכיוון ש-48V הוא תואם SELV, בחירה ממיר יחס קבוע לא-מבודד היא בחירה מושלמת עבור דרגת ההמרה שבין 48V ל-12V. ממיר יחס קבוע שאינו מבודד ואינו מווסת הוא ממיר בעל הספק גבוה יותר בכל ערוץ, דורש פחות פיזור הספק נמוך יותר ובעל צפיפות הספק גבוהה יותר בעלות נמוכה. צפיפות ההספק הגבוהה מאפשרת ליישם ארכיטקטורות מבוזרות חדשות בכלי-רכב היברידיים שבהם ניתן למקם ממירים בעלי יחס קבוע שאינם מבודדים ליד העומסים, המספקים פיזור הרבה נקודות עומס PDN 48V קטנות ויעילות. בשרתים ניתן למקם לוח האם ממיר קטן ולא-מבודד בעוצמה של 48V-12V.

כרטיסי האצת AI חדשים, כגון SXM של NVidia וכרטיסי ה-OAM של חברי ה-Open Compute Project – OCP, מתוכננים עם קלט של 48V בשל רמת הספק 500W-750W במעבדי AI. כדי שהכרטיסים האלה ישמשו חברות מחשוב בענן ושרתים שעדיין עושים שימוש בלוח אחורי PDN 12V במסדי השרתים, נדרשת המרה של 12V ל-48V. הוספת ממיר דו-כיווני K = 1/4 בעל יחס קבוע שאינו מבודד כממיר מאיץ של 12V ל-V48  ביחס של K = 4/1, מאפשרת להתקין מאיצי AI חדשים במסדים ישנים.

כיצד לטפל ביישומי מתח גבוה תובעניים הדורשים בידוד

רכב חשמלי: ביישומי רכב חשמלי, מתח הסוללה חייב להיות גבוה בהרבה מ-48V המשמש כיום במכוניות היברידיות, כאשר סוללת 400V היא בחירה נפוצה. לאחר מכן ה-400V מומר ל-48V עבור הפצה לעומסים השונים ברכב. כדי לתמוך בטעינה מהירה, סוללת 400V נטענת מתחנת טעינה עם יציאת 800V DC מווסתת באמצעות ממיר של 800V ל-400V.

בשני המקרים (המרות 400V/48V ו-800V/400V) ובשל דרישות ההספק הגבוהות, מערך מקביל של ממירי יחס קבוע בעלי גורם K של 1/8 (400/48) ו-1/2 (800/400) נותנים פתרון ביעילות גבוהה מ-98%. הייצוב מתבצע לפני או אחרי דרגת ההמרה. התוצאה: פתרון בעל הספק גבוה מאוד המפשט את הניהול התרמי.

מערכות עתירות עיבוד (HPC): מערכות מחשוב בעלות ביצועים גבוהים של Exascale (HPC) משתמשות ב-380VDC כ-PDN הראשי מכיוון שרמות הספק של המסד בדרך-כלל גבוהות מ-100kW. ביישומים אלה ממירים מבודדים בעלי יחסים קבועים של 1/8 ו-1/16 משולבים בשרתים או בכרטיסי הביניים כדי לספק מתח של 48V או 12V ללוחות האם. לאחר מכן הוויסות מסופק על ידי מערך מסגרת ממיר רב-שלבי או ארכיטקטורות מתקדמות בעלות יעילות גבוהה יותר של 48V ל-PoL. הצפיפות והיעילות של ממיר ביחס קבוע ממלאות שוב תפקיד קריטי המאפשר לסוג זה של ארכיטקטורת PDN לספק ביצועים גבוהים.

רחפנים קשורים (Tethered Drones): יישום נוסף במתח גבוה הדורש בידוד הוא רחפן קשור. כבלים חשמליים עבור רחפנים קשורים יכולים להיות להגיע לאורך של יותר מ-400 מטר. השימוש במתח גבוה כגון 800V מפחית דרמטית את הגודל, המשקל והעלות של כבלי החשמל האלה. ממיר מובנה בעל יחס קבוע, בדרך כלל K = 1/16, להמרה ל-48V, מספק פתרון יעיל ביותר עבור המטעדים הייעודיים שבתוך הרחפן.

תקשורת הדור החמישי (5G): העולם מצויד כעת במגדלי רדיו ואנטנות ברשת 4G שיש לשדרג למערכות 5G חדשות הצורכות הספק בשיעור של פי חמישה יותר מאשר ציוד 4G. ה-PDN של 4G עובדת ב-48V ומסופקת באמצעות כבל ממערכת חשמל קרקעית. מעבר לרמת ההספק של 5G דורשת שימוש בכבלי חשמל בעלי קוטר גדול מאוד ומשקל כבד, לכן חברות התקשורת בוחנות כעת את השימוש ב-PDN 380VDC. עם ממיר בעל יחס K 1/8 במצב דחיפה, מערכת חשמלית מבוססת הארקה בעוצמה של 48V מסוגלת לספק 380V (K: 8/1) לראש המגדל. באמצעות ממיר מווסת 380V-48V בראש המגדל, הן מערכות 5G והן 4G מקבלות אספקת מוסדרת בעוצמה של 48V ומשיגות אספקת חשמל בעלות נמוכה יותר באמצעות כבל חשמל קטן המעביר 380V.

ממירים ביחס קבוע מספקים גמישות בתכנון PDN

דרישות להספק בעל ביצועים גבוהים עולות מדי יום. מערכות מתקדמות בתחום המחשוב הארגוני ומחשוב בעל ביצועים גבוהים, תשתיות תקשורת ורשת, רכבים אוטונומיים ויישומי תחבורה רבים הם רק חלק מהענפים שנמצאים בצמיחה גבוהה ומשוועים לעוד חשמל. לשווקים אלו יש מכנה משותף: לכל אחד מהם יש דרישות הספק אדירות והם ירוויחו מהפיתרון של ממיר DC-DC קטן וצפוף, שיכול לחסוך להם מקום ומשקל. מהנדסי מערכות חשמל חייבים להתייחס לממירים בעלי יחס קבוע כפתרון חשוב וגמיש שמאפשר ל-PDN בעלות ביצועים גבוהים להשיג יתרון תחרותי בעזרת ביצועי המערכת הכוללים.


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 על ידי הישארות בחזית אדריכלות ההפצה, טופולוגיות ההמרה וטכנולוגיות האריזה. אנו מאפשרים יתרון תחרותי ללקוחותינו ביישומי תשתיות, תעשייה ורכב על מנת לקדם במהירות את עיצובי מערכות החשמל הייחודיות שלהם. אתר החברה: www.vicorpower.com

"מסדי השרתים יעבדו במתחים של מאות וולטים"

בתמונה למעלה: המחשב Blue Gene של יבמ. היתווה את הדרך למרכזי נתונים גדולים ועתירי בינה מלאכותית

"מסדי השרתים במרכזי הנתונים הגדולים נמצאים בתהליך שינוי מבני עמוק, ומתחילים לעבור לעבודה במתחים גבוהים", כך העריך בשיחה עם Techtime מנהל הפיתוח העסקי ב-EMEA של חברת Vicor לתחום ה-AI וה-HPC, לב סלוצקי. "גוגל החלה לבדוק את הנושא בסודיות כבר בשנת 2015 וכיום חברות כמו אנבידיה וחברות נוספות בקנה המידה שלה מבצעות ניסויים במתחים גבוהים שעדיין לא פורסמו". לדבריו, גם הקונסורציום התעשייתי Open Compute Project Foundation שהוקם לפני כ-10 שנים ביוזמת פייסבוק וכיום חברות בו רוב יצרניות השבבים, השרתים ותשתיות מרכזי הנתונים – בודק את התפישה החדשה.

מדובר בדילמה ותיקה מאוד: מכיוון שההספק החשמלי הוא מכפלה של המתח בזרם, כאשר משתמשים במתח ישר גבוה ובזרם נמוך, יש חסכון גדול מאוד בהספק מכיוון שהדבר מקטין את ההפסד הנובע מההתנגדות בקווי אספקת הזרם (ההפסד שווה למכפלת ההתנגדות בריבוע הזרם). עד לאחרונה הבעיה היתה שולית: מסדי הנתונים הסטנדרטיים עבדו בצריכת הספק של כ-5kW והתבססו על ממירי מתח שהעבירו את האנרגיה אל המעגלים במסד במתח של 12V ובזרם של כ-416A.

מה עושים עם 1,000 אמפר במרכזי הנתונים?

בשנת 2015 לערך עלתה צריכת ההספק הממוצעת של מסד לכ-12kW והזרם עלה לכ-1kA. רוב היצרנים התמודדו עם הזרמים הגבוהים באמצעות שימוש בכבלי הולכה גדולים מאוד, אולם הפתרון הזה מתחיל להגיע לגבול היכולת שלו. במיוחד בשנה האחרונה שבה השימוש הגובר במערכות בינה מלאכותית ולימוד מכונה הכפילו את צריכת ההספק של מסדי השרתים: חברת Vicor מדווחת שבמרכזי הנתונים הגדולים עלתה הצריכה לכ-20kW כאשר במחשבי על נרשמו מסדים בעלי צריכת הספק של יותר מ-100kW.

הפתרון של וייקור לאספקת מתח ישירה אל המעבדים במרכזי הנתונים החדשים
הפתרון של וייקור לאספקת מתח ישירה אל המעבדים במרכזי הנתונים החדשים

פירוש הדבר שמערכות הפצת ההספק צריכות להתמודד עם זרמים עצומים, בקנה מידה של 1kA. בשלב הזה נכנס קונסורציום OCP לתמונה, והתחיל בהגדרת פורמט של מסד העובד במתח של 48V. הדבר מפחית פי ארבעה את הזרם במעגל ומצמצם פי 16 את אובדן ההפסק בקווי ההולכה. כך למשל, הזרם הדרוש לשרתים במסדי 12kW המבוססים על מתח עבודה של 48V יהיה כ-250A בלבד. לדברי מנהל השיווק בתחום ה-HPC של וייקור, ג'ין אג'יט, מדובר רק בצעד ראשון, שיהיו לו השלכות טכנולוגיות נוספות.

אג'יט: "אנחנו נמצאים בפתחו של עידן חדש. חדרי המחשבים יקבלו מתח ישר בסדר גודל של 350V, ימירו אותו ל-48V ברמת המסדים, ואז ייאלצו לספק את המתח המתאים לכל שבב במסד. וכאן אנחנו מתמודדים עם שתי בעיות נוספות: המעבדים במרכזי הנתונים עובדים כיום במתחים של 1.8V ו-0.8V. כאשר מקטינים את רוחב הצומת של הטרנזיסטור ל-5 ננומטר, המעבדים עשויים להגיע למתחי הפעלה של 0.4V. אבל קווי אספקת הכוח פוגעים בצפיפות וביעילות של קווי המידע במעבדים מודרניים".

וייקור מחפשת בישראל את הבאנה לאבס הבאה

כאן נכנסת לתמונה טכנולוגיה שהחברה פיתחה עבור מחשב העל Blue Gene של חברת יבמ, שהוכרז בשנת 2007 ועבד במתח הפעלה של 350V שהובא אליו באמצעות טכנולוגיית Factorized Power Architecture. החברה פיתחה מערכת בקרת והולכת הספק, אשר מסתיימת בשבב המתחבר אל המעגל המודפס מתחת לשבב ה-CPU, ומספקת את מתח העבודה הדרוש ישירות אל פיני אספקת האנרגיה המצויים ברכיב. "פיתחנו טכניקה לדחיפת הספק מתחת למעבד. זה היה פרוייקט פיתוח גדול מאוד.

"כעת אנחנו הופכים את הטכנולוגיה לזמינה גם עבור חברות סטארט-אפ, ולכן מאוד חשוב לנו להיות נוכחים בשוק הישראלי. מתוך כל חברות הסטארט-אפ המשפיעות בעולם רק 5% מגיעות מאירופה. מכאן שמשקלה של ישראל בשוק האירופי גדול מאוד. כיום יש בישראל יותר מ-300 חברות סטארט-אפ בתחום ה-HPC, ורוב חברות הסטארט-אפ שנמכרות לחברות גלובליות הן חברות ישראליות. אחננו מציעים לספק להן שבבים ומתודולוגיית תכנון מלאה – כוללת המרת רשת האספקה למתחים של מאות וולטים, הבאת האנרגיה אל נקודות הצריכה, הורדתה למתח של 48 וולט ואספקה ישירה של המתח הדרוש לכל מעבד".