Netzteile (PSUs) und Basiseinheiten (BBUs) sind das Herzstück von Rechenzentren, Netzwerken, Servern und Speichersystemen in der hochmodernen Open Rack Version 3 (ORV3)-Architektur des Open Compute Project (OCP). Der zentrale Stromrichter liefert den Großteil der benötigten elektrischen Energie. Doch die eigentliche Schlüsselrolle spielt die Hilfsstromversorgung, die maßgeblich zur Robustheit, Zuverlässigkeit und Sicherheit des gesamten Stromversorgungssystems beiträgt, einschließlich Netzteil und Basiseinheit.
In der folgenden detaillierten Analyse untersuchen wir die Rolle der Hilfsstromversorgung im Referenzdesign des BBU-Moduls und beleuchten ihre Funktionen und internen Mechanismen. Durch die detaillierte Betrachtung der Komplexität der Hilfsstromversorgung wollen wir ihren wichtigen Beitrag zur Aufrechterhaltung einer unterbrechungsfreien Stromversorgung und zum Schutz unserer wertvollen technischen Ressourcen vor potenziellen Schäden hervorheben.
Standby-Stromversorgung:
Die Hilfsstromversorgung dient der sekundären Stromversorgung innerhalb einer BBU (Battery Module Unit). Selbst bei Ausfall oder Nichtverfügbarkeit der Stromversorgung des Motherboards versorgt die zusätzliche Stromversorgung die Geräte im Modul weiterhin mit Strom und gewährleistet so den reibungslosen Betrieb wichtiger Funktionen in der BBU. Diese Standby-Stromversorgung ermöglicht es der Einheit, kritische Vorgänge wie einen sicheren Übergangsprozess, die kontinuierliche Überwachung, die Steuerung komplexer Regelkreise und die unterbrechungsfreie Versorgung von Geräten mit geringem Stromverbrauch aufrechtzuerhalten. Die Hilfsstromversorgung stellt sicher, dass die Module bei Bedarf Strom verteilen können und somit eine kontinuierliche und unterbrechungsfreie Versorgung bei Stromausfällen gewährleisten. Dies wiederum dient als Puffer gegen potenzielle Störungen und verhindert Datenverlust.
Spannungsregelung:
Die Gewährleistung eines konstanten Gleichgewichtszustands und einer konstanten Ausgangsspannung ist entscheidend für die optimale Leistung der Geräte innerhalb der BBU. Die Bedeutung der Hilfsstromversorgung in diesem Zusammenhang kann nicht hoch genug eingeschätzt werden, da sie als wichtige Schutzmaßnahme die sensible Spannungsregelung innerhalb der komplexen Architektur eines BBU-Moduls überwacht. Die Hilfsstromversorgung überwacht permanent die Ausgangsspannung und koordiniert Anpassungen und Stabilisierungen innerhalb der präzise definierten Toleranzgrenzen.
Diese Regelung wirkt wie ein Schutzschild und verbessert die Interaktion zwischen der BBU und den angeschlossenen Geräten. Die Hilfsstromversorgung garantiert eine stabile und zuverlässige Stromversorgung und schützt vor Spannungsschwankungen, die andernfalls zu Fehlfunktionen, Datenverlust oder physischen Schäden führen könnten.
Dank ihrer präzisen Kalibrierung ist die Hilfsstromversorgung unerlässlich. Sie gewährleistet nicht nur den effizienten Betrieb des Moduls, sondern schützt auch die angeschlossenen Geräte. Diese Kombination aus Präzision und Zuverlässigkeit ermöglicht dem Netzteil, der BBU und einer Vielzahl zugehöriger Geräte im Rechenzentrum eine längere Lebensdauer, höhere Effizienz und dauerhafte Betriebssicherheit.
Kühlung und Lüftersteuerung:
Ein effektives Kühlmanagement ist entscheidend, um die Überhitzung elektrischer Geräte zu verhindern. Die Hilfsstromversorgung steuert die Lüfter innerhalb der BBU. Dieser Kühlprozess trägt zum Schutz der BBU und kompatibler Geräte bei. Diese Konfiguration nutzt die Hilfsstromversorgung, um die Lüfterdrehzahlen zu regeln und eine gleichmäßige und effiziente Kühlung zu gewährleisten. Das Ergebnis ist ein ausgewogenes System, das optimale Betriebstemperaturen aufrechterhält und vor den schädlichen Auswirkungen von Überhitzung schützt.
Die Wärmeableitung ist ein komplexer Prozess der Thermodynamik. Dieses System reguliert die Wärme, um Ausfälle durch Überhitzung zu verhindern. Sorgfältige Temperaturregelung und die Hilfsstromversorgung erhöhen Leistung und Zuverlässigkeit.
Schutz- und Sicherheitsfunktionen:
BBUs verfügen über zahlreiche wichtige Sicherheits- und Schutzfunktionen, die sowohl angeschlossene Geräte als auch den Stromrichter schützen. Die Integration einer Hilfsstromversorgung ist unerlässlich für die Bereitstellung und Überwachung dieser Funktionen. Die Hilfsstromversorgung ermöglicht eine Reihe proaktiver Maßnahmen, darunter Überspannungs-, Überstrom- und Kurzschlussschutz sowie Temperaturüberwachung. Diese Echtzeitüberwachung über die Hilfsstromversorgung gewährleistet durch kontinuierliche Parameterprüfung eine schnelle Reaktion auf Anomalien oder Probleme. Die rasche Aktivierung der Schutzmechanismen verhindert effektiv Schäden am Netzteil und an angeschlossenen Geräten, minimiert elektrische Risiken und verbessert die Gesamtsystemsicherheit deutlich.
Diagnostische Bewertung:
Die BBU führt regelmäßig Selbstdiagnosetests durch, um ihre Funktionsfähigkeit zu überprüfen, bevor sie angeschlossene Geräte mit Strom versorgt. Dabei stellt das Hilfsnetzteil die notwendige Spannung und Steuersignale bereit, um die Diagnoseroutine zu starten und abzuschließen. Diese Selbstbewertung hilft, potenzielle Fehler in der BBU, wie z. B. Komponentenprobleme oder Spannungsschwankungen, schnell zu erkennen. Die Einbindung des Hilfsnetzteils trägt zu einer verbesserten Leistung und einer längeren Lebensdauer des Netzteils bei, indem Fehler frühzeitig erkannt und präzise lokalisiert werden können. Dieser proaktive Ansatz erhöht die Zuverlässigkeit und Einsatzbereitschaft des Netzteils, gewährleistet eine unterbrechungsfreie Stromversorgung und reduziert das Risiko von Systemausfällen erheblich.
Das Netzteil-Designtool LTpowerCAD® von ADI liefert maßgeschneiderte technische Informationen und Leistungsdaten für Komponenten, die speziell für die Hilfsstromversorgung von BBUs entwickelt wurden. Diese leistungsstarke Kombination optimiert den komplexen elektrischen Evaluierungsprozess, beschleunigt die Prototypenphase und verkürzt die Entwicklungszeit für Hilfsstromkreise erheblich. Dadurch werden Prüfzeit und Schaltungskomplexität merklich reduziert.
Abbildung 1 zeigt einen Hilfsstromkreis zur Optimierung des Leistungsflusses während des BBU-Betriebs im Lade- oder Entlademodus und verdeutlicht den hohen Entwicklungsaufwand. Abbildung 2 hingegen zeigt einen energiesparenden Hilfsstromkreis für den BBU-Standby-Modus mit Low-Dropout-Reglern (LDOs) und einem einzelnen Abwärtswandler.
Abbildung 1. Entwurf einer Hilfsschaltung für ein BBU-Modul während des Betriebs im Lade- und Entlademodus.
Abbildung 2. Entwurf einer Hilfsschaltung für ein BBU-Modul im Schlafmodus.
Zur Stromversorgung der Stromrichter, Mikrocontroller und anderer Peripheriegeräte umfasst die Hilfsschaltung des BBU-Moduls sechs Spannungsschienen (siehe Tabelle 1).
Tabelle 1. BBU-Spannungsschienen
Betrieb im Lade- oder Entlademodus
Betrieb im Schlafmodus
► 12-V-Vorspannungsschiene
► 5-V-, 3,3-V-, 1,8-V- und 1,2-V-Vorspannungsschienen
► -3,0-V-Vorspannungsschiene
► 3,3-V-, 1,8-V- und 1,2-V-Vorspannungsschiene
Hilfsstromversorgung während des Lade- oder Entladevorgangs der BBU.
12-V-Bias-Schiene.
Der LT8645S ist ein synchroner Hochspannungs-Abwärtswandler mit einer bemerkenswerten Belastbarkeit von bis zu 8 A. Seine Hauptfunktion besteht darin, die 48-V-Hauptplatinenspannung effizient in eine 12-V-Hilfsspannung umzuwandeln, was er mit höchster Präzision tut. Die Integration von Bypass-Kondensatoren unterscheidet ihn von anderen Hochspannungs-Abwärtswandlern – eine strategische Entscheidung, die nicht nur den Bedarf an einer größeren Leiterplatte eliminiert, sondern auch Herausforderungen wie schnelle Stromschleifen und elektromagnetische Störungen (EMI) effektiv bewältigt. Diese Kombination führt zu einer deutlichen Steigerung des Gesamtwirkungsgrades und verbessert die Fähigkeit des Treibers, den Stromverbrauch zu optimieren.
Die 12-V-Vorspannungsschiene bildet das Rückgrat für kritische Komponenten wie Stromrichter, Lüfternetzteile und Stromverteilungsschaltungen. Als primäre Stromquelle für diese essenziellen Komponenten gewährleistet die 12-V-Vorspannungsschiene einen unterbrechungsfreien Betrieb und optimale Leistung. Diese Komponenten sind nahtlos in ein einziges Netzteil integriert, und der LT8645 spielt eine entscheidende Rolle bei der Steigerung von Effizienz und Funktionalität.
5 V, 3,3 V, 1,8 V und 1,2 V Vorspannungsspannungen.
Der Einsatz des LT8692S, eines synchronen Vierkanal-Abwärtswandlers, erfolgte bewusst, um einen breiten Ausgangsspannungsbereich von 5 V, 3,3 V, 1,8 V und 1,2 V zu ermöglichen. Diese Einstellung war besonders wichtig, um die Reduzierung der Hilfsspannung entsprechend den niedrigeren Busspannungen zu berücksichtigen. Angetrieben von einem einzigartigen, mit 2 MHz arbeitenden Oszillator, koordiniert der Treiber seine Ausgänge präzise und synchron.
Die integrierten Kondensatoren sind ein entscheidendes Merkmal für die Einhaltung strenger EMV-Anforderungen, da sie die Störanfälligkeit des Designs minimieren. Dies verbessert die Kompatibilität mit störungsempfindlichen Umgebungen und Anwendungen erheblich. Die hochintegrierte Vierkanalarchitektur spart nicht nur Platz, sondern ermöglicht auch einen kompakteren und effizienteren Designansatz.
Zur Erklärung der Funktionsweise: Die 5-V-Schienen versorgen die Stromversorgung des Verstärkers, den Modbus-UART-Controller, die digitalen Temperatursensoren und das Energiemanagementsystem. Die Ausgänge mit 3,3 V, 1,8 V und 1,2 V versorgen das EEPROM, den Hauptmikrocontroller (MCU) bzw. den Mikrocontroller des Batteriemanagementsystems (BMS).
Der LTC1983 eignet sich hervorragend als Ladungspumpen -Inverter und liefert die notwendige 3-V-Versorgungsspannung für die Operationsverstärker der BBU. Dank seiner Fähigkeit, eine hohe Ausgangslast von 100 mA zu erzeugen, sind nur wenige zusätzliche Kondensatoren erforderlich, was seine hohe Effizienz unterstreicht. Diese wird durch seine geringe Größe weiter gesteigert, da er nur 1 mm von der Stromversorgungsplatine der BBU entfernt ist und somit deutliche Vorteile bietet.
Hilfsstromversorgung im BBU-Schlafmodus.
3,3-V-, 1,8-V- und 1,2-V-Bias-Schienen.
Der MAX17551 ist ein synchroner Abwärtswandler, der die 48-V-Batteriebankspannung in eine stabile 3,3-V-Ausgangsspannung umwandelt. Diese Spannung dient als strategischer Leiter und versorgt die digitalen Allzweck-Pins des Haupt-Mikrocontrollers und des BMS-Mikrocontrollers im Schlafmodus mit Strom. Dieser Abwärtswandler wurde aufgrund seiner Stärken ausgewählt: seiner Vielseitigkeit bei Eingangsspannungen von 4 V bis 60 V, seiner geringen Größe und seiner außergewöhnlichen Betriebseffizienz mit einer minimalen Leistungsaufnahme von unter 10 mW. Diese Kombination von Eigenschaften macht ihn zur optimalen Lösung für die Verbesserung der Gesamtlebensdauer und -stabilität der Batteriebank.
Der ADP165 ermöglicht eine präzise Spannungsreduzierung und senkt die Versorgungsspannung von 3,3 V auf 1,2 V. Diese Reduzierung dient als primäre Stromquelle für die grundlegenden Funktionen des Haupt-Mikrocontrollers und des BMS-Mikrocontrollers. Die strategische Integration des LDO-Reglers in die Mikrocontroller-Schaltung ermöglicht eine verbesserte Spannungsregelung, eine signifikante Rauschreduzierung, eine optimierte Designarchitektur, einen höheren Wirkungsgrad und eine hohe Zuverlässigkeit. Darüber hinaus verbraucht der ADP165 weniger als 15 µW, was wesentlich zur Energieeinsparung und damit zu einer längeren Akkulaufzeit beiträgt.
Der MAX38911mit einer präzisen Reduzierung der Versorgungsspannung von 3,3 V auf 1,8 V. Dieser LDO-Regler kann einen Laststrom von bis zu 500 mA liefern, ausreichend für den benötigten Laststrom der Mikrocontroller. Der Stromrichter verbraucht im Energiesparmodus ca. 19,2 μA Versorgungsstrom und eignet sich daher für den Schlafmodus.
Angesichts des bemerkenswerten Wirkungsgrads der Hilfsstromversorgung, der beim Laden und Entladen 94 % und im Standby-Modus 62 % erreicht, ist ein effektives Wärmemanagement für die Aufrechterhaltung einer konstant optimalen Leistung unerlässlich. Die Auswahl des optimalen Bauteils für die Hilfsschaltung ist über die reine Funktionalität hinaus entscheidend, da sie die Grundlage für die Designintegrität über das gesamte Betriebsspektrum der BBU bildet. Diese strategische Entscheidung ermöglicht die Vorhersage des Gesamtstromverbrauchs und die Berechnung der geschätzten Batterielebensdauer. Darüber hinaus bietet sie kostengünstige Möglichkeiten zur Verbesserung der Leistung der Hilfsschaltung, was letztendlich zu einer Steigerung des Gesamtwirkungsgrads der Einheit führt.<sup>1</sup>
Zusammenfassung:
In diesem letzten Artikel der Reihe wird die Hilfsstromversorgung als entscheidende Komponente von Batteriespeichereinheiten (BBUs) vorgestellt, die mehrere wichtige Funktionen koordiniert. Ihre Rolle umfasst eine Reihe zentraler Aufgaben, die allesamt grundlegend für den reibungslosen, zuverlässigen und sicheren Betrieb dieser Einheiten sind. Als Schutzschild für die Notstromversorgung passt die Hilfsstromversorgung die Spannungspegel an, steuert die Lüfterleistung zur Kühlung, implementiert Schutzmaßnahmen und führt Selbsttests beim Einschalten durch. Dieses komplexe Zusammenspiel der Funktionen gewährleistet eine unterbrechungsfreie Stromversorgung, schützt unsere Geräte und verlängert die Gesamtlebensdauer des Systems.
Hilfsstromversorgung ist unerlässlich für die zuverlässige und zusätzliche Stromversorgung unserer analogen und digitalen Geräte. Fortschritte in der Hilfsstromversorgungstechnologie verbessern kontinuierlich die Effizienz, reduzieren Leistungsverluste und erhöhen die Sicherheit von Netzteilen (PSUs) und Batteriespeichereinheiten (BBUs) in Rechenzentren und treiben so die Innovation voran. Dieser kontinuierliche Fortschritt ist eine konsequente Antwort auf den steigenden Energiebedarf unserer sich ständig wandelnden technologischen Welt, der sowohl unsere Gegenwart als auch unsere elektrifizierte Zukunft prägt.
Jeder Teil dieser Artikelserie dient als umfassende Ressource und bietet präzise Anleitungen. Konstrukteure und Anwendungsingenieure erhalten so das nötige Wissen, um auf Basis der anspruchsvollen Spezifikationen des BBU OCP ORV3 intelligentere, zuverlässigere und kostengünstigere Lösungen zu entwickeln. Dies wird durch einen sorgfältigen Auswahlprozess für Bauteile, ausgearbeitete Richtlinien, technische Methoden und Verfahrensempfehlungen erreicht.
Referenzen:
1 David Sun. „Open Compute Project Open Rack V3 48 BBU Rev: 1.3.“ Open Compute Project, November 2022.
Über den Autor
Christian Cruz ist Anwendungsentwicklungsingenieur bei Analog Devices, Inc., Philippinen. Er hat einen Bachelor of Science in Elektrotechnik von der Eastern Manila University, Philippinen. Er verfügt über mehr als zwölf Jahre Berufserfahrung in der analogen und digitalen Schaltungstechnik, der Firmware-Entwicklung und der Leistungselektronik, einschließlich der Entwicklung von integrierten Schaltungen für das Energiemanagement sowie der AC/DC- und DC/DC-Wandlung. Er ist seit 2020 bei ADI und verantwortet derzeit die Anforderungen an das Energiemanagement für Cloud-Computing- und Systemkommunikationsanwendungen.
Über den Autor
Ralph Clarenz Matociños schloss sein Studium der Elektrotechnik an der Pamantasan ng Lungsod ng Maynila (PLM) in Manila, Philippinen, mit einem Bachelor of Science ab. Er verfügt über mehr als ein Jahr Berufserfahrung als Ingenieur und Spezialkenntnisse in analoger und digitaler Schaltungstechnik sowie in der Leistungselektronik, einschließlich der Entwicklung integrierter Schaltungen für Batteriemanagementsysteme und DC/DC-Wandler.
