Digital Power Wie Digital Power die Entwicklung verteilter Stromversorgungssysteme vereinfacht

Autor / Redakteur: Mark Adams, Patrick Le Fèvre, Steve Pimpis * / Dipl.-Ing. (FH) Thomas Kuther

Mit Digital Power verliert die Entwicklung verteilter Stromversorgungs-Architekturen ihren Schrecken – und die Hersteller arbeiten weiter an Verbesserungen. Mehr über Digital-Power-Trends lesen Sie hier.

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Verteilte Stromversorgungsarchitekturen: dominieren heute bei der Versorgung hochleistungsfähiger Daten-/Telekommunikationsnetze und Ausrüstung für Datencenter
Verteilte Stromversorgungsarchitekturen: dominieren heute bei der Versorgung hochleistungsfähiger Daten-/Telekommunikationsnetze und Ausrüstung für Datencenter
(Bild: AMP)

Dieser Beitrag beschreibt die Entwicklung verteilter Stromversorgungsarchitekturen seit der Einführung der ersten Hochfrequenz-DC/DC-Schaltwandler-Module im Jahr 1984. Welche Faktoren treiben die Entwicklung voran und welche bedeutenden Neuerungen gehen damit einher? Die Fortschritte im Bereich Digital Power in den letzten Jahren werden näher beschrieben, und wir beantworten die Frage, wohin die Stromversorgungstechnik führt, wenn der zunehmende Leistungsbedarf von immer mehr Datennetzen und Massenspeichern eine möglichst geringe Umweltbelastung verursachen soll.

Auch die Möglichkeiten einer „wettbewerbsfähigen Partnerschaft“ werden aufgezeigt, um Neuerungen im Bereich Digital Power voranzubringen. Dazu zählen die Vorteile für Entwickler von Stromversorgungen; die wirtschaftlichen Vorteile für Unternehmen, die Stromversorgungen einsetzen und die Möglichkeit, mögliche negative Auswirkungen auf die Umwelt durch den wachsenden Bedarf an digitalen Informationen zu mindern.

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Verteilte Architekturen sind oft dringend notwendig

Verteilte Stromversorgungsarchitekturen dominieren heute bei der Versorgung hochleistungsfähiger Daten-/Telekommunikationsnetze und Ausrüstung für Datencenter. Der Übergang von einer zentralisierten Versorgung – einer einfachen AC/DC-Stromversorgung, eventuell mit Batterie-Backup, mit der die Karten im System-Rack versorgt werden – auf verteilte Architekturen war dringend notwendig.

Niedrigere Betriebsspannung erlaubt höhere Leistung

Die Betriebsspannung der Halbleiterbausteine nimmt mit kleiner werdenden Prozessknoten immer weiter ab. Damit kann die Verarbeitungsleistung der ICs erhöht werden. Mit leistungsfähigeren ICs und niedrigeren Betriebsspannungen steigt der Strombedarf. Lange Leiterplattenbahnen führen dabei zu inakzeptablen I2R-Verlusten und verringern die Effizienz der Energieversorgung. Somit wurden verteilte Stromversorgungsarchitekturen zur Norm. Dieser Trend setzt sich fort. Seit den 1980-er Jahren ist der Leistungsbedarf von Datencentern von 300 auf 1200 W pro Board gestiegen. Bis zum Jahr 2015 soll sogar ein Wert von 5 kW erreicht werden, da der Netzwerk-IP-Datenverkehr in den nächsten Jahren erheblich zunehmen wird.

Die weltweiten ersten Hochfrequenz-DC/DC-Schaltnetzteile

Die Wirtschaftlichkeit verteilter Stromversorgungssysteme begann 1984, als eine Tochter des schwedischen Unternehmens Ericsson AB, Ericsson Components – RIFA Power (später bekannt als Ericsson Power Modules) die DC/DC-Wandler der PKA-Serie einführte. Ericsson beschrieb sie als die weltweiten ersten Hochfrequenz-DC/DC-Schaltnetzteile, mit denen nicht länger teure und komplexe Schaltkreise aus diskreten Bauteilen gefertigt werden mussten.

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Das Industriekonsortium Architects of Modern Power

CUI, Ericsson Power Modules und Murata gründeten das Industriekonsortium Architects of Modern Power (AMP) im Oktober 2014. Ziel des Konsortiums ist die Bereitstellung fortschrittlicher, durchgehender verteilter Stromversorgungslösungen über ein komplettes Ecosystem an Hardware, Software und Support. Anfangs wurde die Einführung digital geregelter DC/DC-Wandler und Point-of-Load-Regler getrieben durch Tele- und Datenkommunikationsunternehmen und geht nun auch auf andere Bereiche über. Dies macht einen Zugriff auf mehrere Lieferanten hochleistungsfähiger Leistungswandler für Kunden immer schwieriger. Um eine echte Multi-Source-Lösung zu erreichen, ist eine gewisse Kompatibilität der Software unbedingt erforderlich, einschließlich Kompatibilität der PMBus-Befehle, proprietären Controller-Befehle und Konfigurationsdateien. Genau aus diesem Grund wurde die AMP Group gebildet. Die Mitglieder wollen gemeinsame mechanische und elektrische Spezifikationen verabschieden sowie die Standardisierung der Überwachungs-, Steuerungs- und Kommunikationsfunktionen vorantreiben.

Mit einem kompakten, auf der Leiterplatte montierten Modul für jede Karte waren nur noch ein paar externe Filter und Entkopplungsbausteine erforderlich, um ein wesentlich effizienteres und effektiveres Stromversorgungssystem bereitzustellen. Leistungswandler-Module sorgen auch für zuverlässigere Systeme. Dies ist vor allem für Kommunikationsnetze besonders wichtig, da sie eine Lebensdauer von 25 Jahren oder länger aufweisen.

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