48-V-Verteilung

Leistung und Strom unter Kontrolle halten

30.03.17 | Autor / Redakteur: Ron Wilson * / Sebastian Gerstl

Einige Stromversorgungsarchitekturen großer Systeme, wie z.B. Rechenzentren, speisen 48 V direkt in den PoL-Regler. Dabei wird auf 12 V heruntergewandelt, um auch andere Anforderungen zu bedienen.
Einige Stromversorgungsarchitekturen großer Systeme, wie z.B. Rechenzentren, speisen 48 V direkt in den PoL-Regler. Dabei wird auf 12 V heruntergewandelt, um auch andere Anforderungen zu bedienen. (Bild: Intel PSG)

Entwickler müssen in Stromversorgungsdesigns die Bedürfnisse von Systemen, Boards und ICs gleichermaßen beachten. Die flexible AnDAPT-Power-Plattform kann diese Aufgabe enorm erleichtern.

Das Stromversorgungsdesign moderner Systeme wird immer komplexer, da der Energiebedarf auf jeder Ebene – vom gesamten Systemen bis hin zu den einzelnen Halbleiterbausteinen – zunimmt und dabei immer dynamischer wird. In großen Systemen, wie beispielsweise Rechenzentren, findet derzeit in der Industrie ein Übergang von der herkömmlichen 12-/24-VDC-Verteilung auf eine 48V-Verteilung statt. Dieser erstreckt sich von den Racks und Chassis bis hin zu den einzelnen SoCs (System-on-Chip) und CPUs.

Gleichzeitig fordern moderne Mikrochips eine zunehmend anspruchsvollere Stromversorgung, die hohe Spitzenströme, jahrzehntelange Betriebszeiten, schnelle Einschwingvorgänge und digitale Regelung bietet. Die Entwicklung von Stromversorgungen für den Lastpunkt (PoL; Point-of-Load) ist zu einer komplexen Mischung aus einer umfangreicher Systemoptimierung und einem Mixed-Signal-Design mit hoher Bandbreite geworden.

Umstrukturierung der Stromversorgung

Das Power Management auf Systemebene umfasst heute zahlreiche hierarchische Kompromisse. Obwohl 12-, 24- und 28-VDC-Versorgungsschienen in den Bereichen Automotive, Rechenzentren und Luftfahrttechnik etabliert sind, experimentieren große Cloud-Computing-Unternehmen wie Google mit 48 VDC als Hauptverteilerschiene für den Strom.

Diese Architektur liefert 48 VDC an die PoL-Regler, die große Lasten wie SoCs direkt versorgen. Dabei wird auf 12 V heruntergewandelt, um auch andere Anforderungen zu bedienen. Google behauptet, dass der 48V-Ansatz im Vergleich zur 12V-Verteilung die Verluste um das 16-fache verringert.

Es gibt Gründe dafür, solche hohen Spannungen nicht so tief in die Systemarchitektur zu verlegen. Für die Umsetzung einer 12V-Verteilung, z.B. mit Silizium-MOSFET-Schaltern und gängigen Reglern, steht bereits umfassende Infrastruktur zur Verfügung. Einstufige 48V-PoL-Regler können hingegen GaN-Schalttransistoren benötigen, die teurer sind.

„Dies führt zu einer Abwägung zwischen Investitions- und Betriebskosten“, so Mark Davidson, Intel PSG Power Division Manager. „Mit 48V-PoLs lässt sich zwar ein höherer Wirkungsgrad in großen Systemen erzielen, aber die Abwärtswandlung der hohen Spannung auf 5 bis 8 V ermöglicht auch den Einsatz kostengünstigerer PoLs.“

Die Stromverteilung bei niedrigerer Spannung bietet auch schnellen Zugriff auf spezielle PoLs, deren Fähigkeiten entscheidend sind, um die komplexen Anforderungen der ICs auf Systemebene zu erfüllen.

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