Les blocs d'alimentation (PSU) et les unités de base (BBU) sont essentiels au bon fonctionnement des centres de données, des réseaux, des serveurs et des périphériques de stockage au sein de l'architecture de pointe Open Rack Version 3 (ORV3) de l'Open Compute Project (OCP). Le convertisseur de puissance central fournit la majeure partie de l'énergie électrique nécessaire. Cependant, le composant d'alimentation auxiliaire, souvent négligé, joue un rôle crucial dans le maintien de la robustesse, de la fiabilité et de la sécurité globales de l'écosystème d'alimentation, incluant le PSU et le BBU.

Dans l'analyse détaillée qui suit, nous examinerons le rôle de l'alimentation auxiliaire dans la conception de référence du module BBU, en explorant ses fonctions et ses mécanismes internes. En analysant en profondeur la complexité de cette alimentation auxiliaire, notre objectif est de souligner son rôle essentiel dans le maintien d'une alimentation électrique continue et la protection de nos précieuses ressources techniques contre d'éventuels dommages.

Alimentation de secours :
L’alimentation auxiliaire fournit une alimentation secondaire au sein d’une unité de module de batterie (BBU). Même en cas de coupure ou d’indisponibilité de l’alimentation principale de la carte mère, cette alimentation de secours continue d’alimenter les composants internes du module, assurant ainsi le bon fonctionnement des fonctions essentielles stockées dans la BBU. Cette capacité d’alimentation de secours permet à l’unité de maintenir des opérations critiques, telles qu’une transition sécurisée, une surveillance continue, la gestion de circuits de commande complexes et l’alimentation permanente de périphériques basse consommation. L’alimentation auxiliaire garantit la capacité des modules à distribuer l’énergie en cas de besoin, assurant une alimentation continue et ininterrompue lors des coupures de courant. Elle constitue ainsi un tampon contre les perturbations potentielles et prévient les pertes de données.

Régulation de tension :
Garantir un état d’équilibre constant et une tension de sortie stable est essentiel pour optimiser les performances des dispositifs au sein de l’unité de secours de batterie (BBU). L’importance de l’alimentation auxiliaire dans ce contexte est capitale, car elle constitue une protection cruciale, en surveillant la zone sensible de contrôle de tension au sein de l’architecture sophistiquée d’un module BBU. L’alimentation auxiliaire surveille en permanence la tension de sortie, coordonnant les ajustements et la stabilisation dans les limites précises d’une plage de tolérance méticuleusement définie.
Cette régulation agit comme un bouclier, améliorant l’interaction entre la BBU et les dispositifs connectés. L’alimentation auxiliaire garantit une source d’alimentation stable et fiable, protégeant contre les fluctuations de tension qui pourraient entraîner des dysfonctionnements, une corruption de données ou des dommages physiques.
L’alimentation auxiliaire devient indispensable grâce à son étalonnage précis. Elle assure non seulement un fonctionnement efficace du module, mais protège également les dispositifs connectés. Cette combinaison de précision et de fiabilité permet à l’alimentation, à la BBU et à de nombreux autres dispositifs du centre de données de bénéficier d’une durée de vie plus longue, d’une efficacité accrue et d’une fiabilité opérationnelle durable.

Refroidissement et contrôle des ventilateurs :
Une gestion efficace du refroidissement est essentielle pour éviter la surchauffe des équipements électriques. L’alimentation auxiliaire alimente et coordonne les ventilateurs au sein de l’unité de secours (BBU). Ce processus de refroidissement contribue à préserver la BBU et les appareils compatibles. Cette configuration utilise l’alimentation auxiliaire pour gérer la vitesse des ventilateurs et créer un environnement de refroidissement régulier et efficace. Il en résulte un système bien équilibré qui maintient des températures de fonctionnement optimales et protège contre les effets néfastes de la surchauffe.
La dissipation de la chaleur implique des interactions complexes au sein de la dynamique thermique. Ce système gère la chaleur pour prévenir les pannes dues à la surchauffe. Une régulation précise de la température et l’alimentation auxiliaire améliorent les performances et la fiabilité.

Fonctions de protection et de sécurité :
Les unités de secours (BBU) intègrent plusieurs fonctions de sécurité et de protection essentielles qui protègent les appareils connectés et le convertisseur de puissance. L’intégration d’une alimentation auxiliaire est indispensable au déploiement et à la surveillance de ces fonctions. L’alimentation auxiliaire permet la mise en œuvre de mesures proactives, notamment la protection contre les surtensions, les surintensités et les courts-circuits, ainsi que la surveillance de la température. Cette surveillance en temps réel via l’alimentation auxiliaire garantit une réaction rapide aux anomalies ou aux problèmes grâce à des contrôles continus des paramètres. L’activation rapide des mécanismes de protection prévient efficacement les dommages à l’alimentation et aux appareils connectés, réduisant ainsi les risques électriques et améliorant considérablement la sécurité globale du système.

Évaluation diagnostique :
L’unité de secours (BBU) effectue des autotests périodiques pour valider son bon fonctionnement avant d’alimenter les appareils connectés. Lors de ce processus, l’alimentation auxiliaire fournit la tension et les signaux de commande nécessaires au lancement et à la finalisation du diagnostic. Cette autoévaluation permet de détecter rapidement les pannes potentielles au sein de la BBU, notamment les problèmes de composants ou les irrégularités de tension. L’intervention de l’alimentation auxiliaire contribue à améliorer les performances et à prolonger la durée de vie de l’alimentation principale en permettant une identification précoce et une localisation précise des pannes. Cette approche proactive accroît la fiabilité et la disponibilité de l’alimentation principale, garantissant une alimentation continue et réduisant considérablement le risque de défaillance du système.

L'outil de conception d'alimentation LTpowerCAD® d'ADI fournit des informations techniques et des données de performance personnalisées pour les composants spécifiquement conçus pour l'alimentation auxiliaire des unités de secours de batterie (BBU). Cette puissante combinaison simplifie considérablement le processus complexe d'évaluation électrique, accélère la phase de prototypage et réduit significativement le délai de développement global des circuits d'alimentation auxiliaire. Par conséquent, le temps de validation et la complexité de la conception des circuits sont sensiblement réduits.
La figure 1 illustre un circuit auxiliaire conçu pour optimiser le flux de puissance pendant le fonctionnement de la BBU en mode charge ou décharge, témoignant des efforts d'ingénierie importants déployés. À l'inverse, la figure 2 présente un circuit auxiliaire basse consommation pour le mode veille de la BBU, intégrant des régulateurs à faible chute de tension (LDO) et un convertisseur abaisseur.

Figure 1. Conception d'un circuit auxiliaire pour un module BBU en mode de charge et de décharge.

Figure 2. Conception d'un circuit auxiliaire pour un module BBU en mode veille.
Pour alimenter les convertisseurs de puissance, les microcontrôleurs et autres périphériques, le circuit auxiliaire du module BBU comprend six rails d'alimentation, comme indiqué dans le tableau 1.

Tableau 1. Rails de tension BBU

En mode charge ou décharge
En mode veille
► Rail de polarisation 12 V
► Rails de polarisation 5 V, 3,3 V, 1,8 V et 1,2 V
► Rail de polarisation -3,0 V

► Rails de polarisation 3,3 V, 1,8 V et 1,2 V

Alimentation auxiliaire pendant les opérations de charge et de décharge de la BBU.
Rail de polarisation 12 V.
Le LT8645S est un convertisseur abaisseur synchrone haute tension offrant une capacité de charge remarquable jusqu'à 8 A. Sa fonction principale est de convertir efficacement la tension d'alimentation principale de 48 V en une tension auxiliaire de 12 V, ce qu'il fait avec une grande précision. L'intégration de condensateurs de découplage le distingue des autres convertisseurs abaisseurs haute tension : un choix stratégique qui permet non seulement de réduire la taille du circuit imprimé, mais aussi de résoudre efficacement les problèmes liés aux boucles de courant rapides et aux interférences électromagnétiques (EMI). Cette combinaison se traduit par une augmentation significative du rendement global, optimisant ainsi la consommation d'énergie du convertisseur.

L'alimentation 12 V constitue l'élément central de l'alimentation des composants critiques, notamment les convertisseurs de puissance, les alimentations des ventilateurs et les circuits de bus de partage de courant. En alimentant principalement ces composants essentiels, elle garantit un fonctionnement et des performances optimales. Ces composants sont parfaitement intégrés au sein d'une seule alimentation, et le LT8645 joue un rôle crucial dans l'amélioration de leur efficacité et de leurs fonctionnalités.

Alimentations de polarisation de 5 V, 3,3 V, 1,8 V et 1,2 V.
Le choix du LT8692S, un convertisseur abaisseur synchrone à quatre canaux, a été délibéré afin de fournir une large gamme de tensions de sortie : 5 V, 3,3 V, 1,8 V et 1,2 V. Cette configuration était particulièrement importante pour compenser la réduction de tension auxiliaire, conformément aux tensions de bus plus basses. Guidé par un oscillateur unique fonctionnant à 2 MHz, le convertisseur coordonne ses sorties avec précision et synchronisation.
Ce qui distingue véritablement ce composant, ce sont ses condensateurs intégrés, une caractéristique essentielle pour répondre aux exigences strictes en matière de compatibilité électromagnétique (CEM), car ils minimisent la sensibilité du circuit au bruit. Cette caractéristique améliore considérablement sa compatibilité avec les environnements et applications sensibles au bruit. L'architecture à quatre canaux, caractérisée par son haut degré d'intégration, permet non seulement un gain de place, mais aussi une conception plus concise et efficace.
Pour expliquer son utilisation, les rails 5 V alimentent l'amplificateur, le contrôleur Modbus UART, les capteurs de température numériques et le dispositif de gestion de l'alimentation. Les sorties 3,3 V, 1,8 V et 1,2 V alimentent respectivement la mémoire EEPROM, le microcontrôleur principal et le microcontrôleur du système de gestion de la batterie (BMS).

Le LTC1983 onduleur de pompe de charge, fournissant une tension d'alimentation négative de 3 V essentielle aux amplificateurs opérationnels pilotant l'unité de secours (BBU). Sa capacité à générer une charge de sortie de 100 mA ne requiert que quelques condensateurs supplémentaires, ce qui témoigne de son rendement intrinsèque. Ce rendement est d'autant plus remarquable que sa taille réduite offre des avantages spécifiques, puisqu'il s'intègre à seulement 1 mm de la carte d'alimentation de la BBU.
comme

Alimentation auxiliaire pendant le fonctionnement en mode veille de la batterie.
Tensions de polarisation : 3,3 V, 1,8 V et 1,2 V.
Le MAX17551 est un convertisseur abaisseur synchrone qui transforme la tension de 48 V de la batterie en une tension de sortie stable de 3,3 V. Cette tension alimente les broches numériques à usage général du microcontrôleur principal et du microcontrôleur du système de gestion de batterie (BMS) lorsqu'ils sont en mode veille. Ce convertisseur abaisseur a été choisi pour ses atouts : sa compatibilité avec des tensions d'entrée de 4 V à 60 V, sa taille compacte et son rendement exceptionnel, avec une consommation minimale inférieure à 10 mW. L'ensemble de ces caractéristiques en fait la solution idéale pour améliorer la durabilité et la fiabilité de la batterie.
Le ADP165 assure une réduction de tension plus précise, abaissant la tension d'alimentation de 3,3 V à 1,2 V. Cette réduction spécifique constitue la source d'alimentation principale pour le fonctionnement de base du microcontrôleur principal et du microcontrôleur du BMS. L'intégration stratégique d'un régulateur LDO au sein du circuit du microcontrôleur permet une meilleure régulation de tension, une réduction significative du bruit, une architecture optimisée, un rendement supérieur et une grande fiabilité. De plus, l'ADP165 consomme moins de 15 µW, contribuant ainsi aux économies d'énergie et, par conséquent, à l'allongement de la durée de vie de la batterie.
Enfin, le MAX38911grâce à sa réduction précise de la tension d'alimentation de 3,3 V à 1,8 V. Ce régulateur LDO peut fournir jusqu'à 500 mA de courant de charge, suffisant pour alimenter les microcontrôleurs. Le convertisseur de puissance consomme environ 19,2 µA en mode basse consommation, ce qui le rend adapté au fonctionnement en mode veille.
L'importance d'une gestion thermique efficace pour maintenir des performances optimales et constantes est primordiale, compte tenu du rendement remarquable de l'alimentation auxiliaire, qui atteint 94 % en charge et en décharge et 62 % en mode veille. Le choix du meilleur composant pour les circuits auxiliaires est crucial, au-delà de sa simple fonctionnalité, car il constitue le fondement de l'intégrité de la conception sur l'ensemble du spectre de fonctionnement de l'unité de secours. Ce choix stratégique permet de prévoir la consommation électrique totale et de calculer l'autonomie estimée de la batterie. De plus, il offre des possibilités rentables d'améliorer les performances des circuits auxiliaires, ce qui conduit finalement à une amélioration globale du rendement de l'unité.¹

Résumé :
Ce dernier article de la série présente l'alimentation auxiliaire comme un composant essentiel des groupes électrogènes de secours (BBU), coordonnant plusieurs fonctions importantes. Son rôle implique de nombreuses responsabilités clés, toutes fondamentales pour le bon fonctionnement, la fiabilité et la sécurité de ces groupes. Véritable bouclier pour l'alimentation de secours, l'alimentation auxiliaire ajuste les niveaux de tension, gère la puissance des ventilateurs pour le refroidissement thermique, met en œuvre des mesures de protection et effectue des autotests à la mise sous tension. Cette interaction complexe d'opérations garantit une alimentation électrique ininterrompue, protège nos équipements et prolonge la durée de vie globale du système.
L'alimentation auxiliaire est cruciale pour fournir une alimentation fiable et complémentaire à nos appareils analogiques et numériques. Les progrès technologiques en matière d'alimentation auxiliaire améliorent constamment l'efficacité, réduisent les pertes d'énergie et renforcent la sécurité des alimentations (PSU) et des groupes électrogènes de secours (BBU) des centres de données, propulsant l'innovation vers de nouveaux sommets. Ces progrès continus répondent sans relâche aux besoins énergétiques croissants générés par un monde technologique en perpétuelle évolution, qui influence notre présent et notre avenir électrifié.
Chaque article de cette série constitue une ressource complète, fournissant des conseils précis et dotant les ingénieurs de conception et d'application des connaissances nécessaires pour bâtir une solution plus intelligente, plus fiable et plus économique, basée sur les spécifications sophistiquées du BBU OCP ORV3. Pour ce faire, ils proposent un processus rigoureux de sélection des composants, des guides pratiques, des méthodologies d'ingénierie et des recommandations de procédures.
Références :
1. David Sun. « Open Compute Project Open Rack V3 48 BBU Rev : 1.3 ». Open Compute Project, novembre 2022.

À propos de l'auteur

Christian Cruz est ingénieur en développement d'applications chez Analog Devices, Inc., aux Philippines. Titulaire d'une licence en génie électronique de l'Université Eastern Manila, il possède plus de 12 ans d'expérience en conception analogique et numérique, en conception de micrologiciels et en électronique de puissance, notamment dans le développement de circuits intégrés de gestion de l'alimentation et la conversion de puissance AC/DC et DC/DC. Il a rejoint ADI en 2020 et est actuellement responsable des exigences de gestion de l'alimentation pour les applications de cloud computing et de communication système.

À propos de l'auteur

Ralph Clarenz Matociños est titulaire d'une licence en génie électronique de l'Université de la Ville de Manille (PLM), aux Philippines. Il possède plus d'un an d'expérience en ingénierie et des connaissances spécialisées en conception analogique et numérique, ainsi qu'en électronique de puissance, notamment en développement de circuits intégrés pour les systèmes de gestion de batteries et la conversion de puissance CC-CC.