Introdução
Os data centers alimentam a internet e ligam comunidades em todo o mundo. Empresas de redes sociais como o Facebook, Instagram e X (anteriormente conhecido como Twitter) dependem de centros de dados para a disseminação e armazenamento de informação, enquanto os motores de busca como o Yahoo! e Google utilizam data centers para alimentar as suas funções principais de pesquisa e armazenamento. Quase todas as grandes empresas e agências governamentais do mundo exigem uma funcionalidade fiável de data center para operar e manter as suas funções essenciais de negócio através de computação inteligente, armazenamento e pesquisa. À medida que o número de utilizadores cresce a cada ano, a capacidade dos centros de dados continua a expandir-se a um ritmo extraordinário para acompanhar as exigências e os avanços tecnológicos. À medida que estas exigências de crescimento aumentam, a arquitetura do sistema do data center também deve acompanhar.
A OCP, uma organização que partilha projetos de data centers, tem uma definição de arquitetura de sistema baseada no Open Compute Project Open Rack Version 2 (OCP ORV2), em que a tensão do backplane é nominalmente de 12 V e a potência do sistema é de 3 kW. Por outro lado, o aumento da utilização leva a maiores exigências de energia, elevando excessivamente a necessidade de energia de 12 V do sistema e, consequentemente, prejudicando o desempenho global do sistema. Para resolver este problema, a tensão do backplane é aumentada para 48 V, enquanto a fonte de alimentação do sistema permanece inalterada. Isto minimiza a quantidade de rastos de corrente e cobre necessários e reduz a dissipação de calor no backplane. Esta alteração melhora a eficiência global do sistema e reduz a necessidade de um sistema de refrigeração complexo. Esta é a base do novo standard Open Rack Version 3, OCP ORV3.

Figura 1. A arquitetura de alimentação do OCP ORV3.

A fiabilidade do data center é um requisito operacional fundamental. A adição de Unidades de Bateria (BBUs) ao sistema proporciona redundância. Em caso de falha de energia ou de tensão, o sistema necessita de tempo para detetar a situação, preservar dados vitais e transferir as operações para outro servidor dentro do data center, provavelmente numa instalação e local diferentes. Este deve ser feito de forma transparente. Os sistemas de alimentação de reserva são utilizados em cada bastidor para regular a energia de reserva do sistema. Este requisito é definido na norma mais recente, ORV3 BBU, como uma potência de saída de 15 kW, equivalente a 4 minutos de funcionamento do sistema por BBU, com base no armazenamento e condicionamento de energia de uma bateria de iões de lítio. Esta
especificação fornece à Analog Devices orientações para a conclusão e o design de uma solução de referência que incorpora o seu conversor de energia bidirecional para um único circuito dedicado à operação de carga e descarga, um dispositivo de sistema de gestão de bateria (BMS), um microcontrolador host de sistema de design integrado com suporte de firmware e GUI, e amplificação de hardware através da colaboração com a organização OCP.

Requisitos de Design e Implementação de Hardware:
À medida que a organização OCP fornece a especificação (Revisão 1.3), descreverá os requisitos necessários para conceber e projetar o módulo BBU de acordo com a norma. O projeto de referência do módulo BBU baseia-se na proposta ORV3 de 48 V e consiste num conjunto de baterias com um BMS, circuito de carga/descarga e outros blocos funcionais, como ilustrado na Figura 2.

Figura 2. Diagrama de blocos da BBU OCP ORV3.

Para além dos requisitos do circuito, o módulo BBU deve possuir vários modos de funcionamento principais durante a sua vida útil, que são os seguintes:
- Modo de repouso: Este modo ocorre quando o módulo BBU está em trânsito ou armazenado, ou não está ligado a uma barra de distribuição ativa, minimizando a corrente de descarga da célula para um tempo de armazenamento mais longo. A monitorização ou o relatório do BBU não está disponível no modo de repouso. O BBU será ativado e sairá do modo de repouso quando a tensão da barra de distribuição for detetada acima de 46 V durante > 100 ms e < 200 ms e o sinal PSKILL estiver baixo.
- Modo de espera: Este modo ocorre quando o módulo BBU está totalmente carregado e em boas condições, monitorizando constantemente a tensão da barra de distribuição para estar pronto para um evento de descarga. O módulo BBU opera neste modo durante a maior parte da sua vida útil. O estado e os parâmetros dos módulos BBU são visíveis no monitor do bastidor upstream através do barramento de comunicação.
- Modo de descarga: Quando a tensão da barra de distribuição desce abaixo dos 48,5 V durante > 2 ms, o modo de descarga do módulo BBU é ativado. O módulo BBU deve repor a tensão do barramento até 2 ms, com um tempo de reserva de 4 min.
- Modo de carga: Neste modo, o módulo BBU ativa o seu circuito de carregamento interno para carregar a bateria quando todas as condições forem satisfeitas. A corrente de carga pode variar de 0 A a 5,5 A, dependendo da profundidade de descarga anterior da capacidade da bateria. O sistema permite também que a corrente de carga seja alterada automaticamente através do barramento de comunicação. Um esquema de controlo do tempo limite do carregador, baseado na corrente de carga calculada, deve estar em vigor.
- Modo de verificação do estado de saúde (SOH): Neste modo, o módulo BBU verifica rotineiramente a capacidade da bateria, descarregando-a à força. O módulo BBU realizará o teste SOH a cada 90 dias para determinar o estado de fim de vida útil (EOL) da bateria.
- Modo de controlo do sistema: O BBU permitirá ao sistema upstream controlar o funcionamento do carregador/descarregador através do barramento de comunicação.

Além dos requisitos operacionais do módulo BBU, o OCP especifica a norma para a capacidade da bateria, o tipo de célula e a configuração da bateria. São eles:
- Capacidade da bateria: O módulo BBU deve fornecer 3 kW de potência em modo de espera durante um máximo de 4 minutos durante um período de 4 anos.
- Tipo de célula da bateria: O módulo BBU deve ser do tipo Li-Ion 18650 com uma tensão de célula de 3,5 V a 4,2 V, uma capacidade mínima de 1,5 Ah e uma corrente de descarga contínua de 30 A.
- Configuração da bateria: O módulo BBU deve ter uma configuração de bateria 11S6P (seis strings paralelas de 11 células em série cada).

 Além disso, o módulo BBU necessita de um BMS para os algoritmos de carga/descarga da bateria, proteções, sinais de controlo e interfaces de comunicação. O BMS é também responsável por fornecer um circuito de equilíbrio de células no qual a tensão das células da bateria é mantida dentro de uma margem de ±1% (0,1 V).

O diagrama de blocos do projeto de referência (ver Figura 3) mostra os componentes selecionados e integra vários elementos designados para tarefas específicas, criando circuitos capazes de fornecer energia ininterrupta, determinar o estado do módulo, detetar falhas e gerir as comunicações entre módulos. O LT8228, um controlador síncrono bidirecional, está alojado dentro do módulo BBU. Este dispositivo proporciona a conversão de energia em caso de interrupção da rede elétrica e o carregamento da bateria durante o funcionamento ininterrupto. O LT8551, um conversor CC-CC elevador síncrono de 4 fases, trabalha em conjunto com o LT8228 para aumentar a capacidade de fornecimento de energia de descarga para 3 kW por módulo BBU. Para além dos circuitos integrados de conversão de energia, o módulo BBU incorpora o MAX32690, um microcontrolador Arm® de ultrabaixo consumo responsável pelo funcionamento global do sistema. O LTC2971, um gestor de sistema de energia de 2 canais, é utilizado para a deteção precisa de falhas na linha de energia e também para uma função crucial de queda de tensão. O MAX31760, um controlador de velocidade de ventoinhas de precisão, foi utilizado para arrefecer o sistema durante as operações de carga e descarga. Uma EEPROM atua como armazenamento de dados, permitindo ao utilizador recuperar quaisquer dados úteis do módulo BBU durante a sua vida útil. Além do conversor de energia e do microcontrolador de manutenção, foi incluído no projeto um circuito integrado BMS. O ADBMS6948, um monitor de bateria multicélula de 16 canais, é utilizado para monitorizar o nível de tensão da bateria, enquanto o seu contador Coulomb inerente foi empregue para determinar os níveis de estado de carga (SOC) e estado de saúde (SOH) para o equilíbrio das células e cálculo da vida útil da bateria. O procedimento de monitorização da saúde da bateria é realizado pelo MAX32625, um microcontrolador Arm de ultrabaixo consumo energético. Ambos os microcontroladores foram cuidadosamente selecionados para reduzir o consumo global de energia e, assim, prolongar a vida útil da bateria durante o funcionamento em modo de espera do BBU.
Para além dos componentes fornecidos, este módulo de referência também fabrica e monta o módulo BBU (ver Figura 4a) e o bastidor BBU (ver Figura 5) para alojar e demonstrar o projeto de referência de acordo com as especificações mecânicas do módulo e bastidor BBU OCP ORV3. O bastidor BBU inclui seis slots para o módulo BBU, pelo que um único bastidor BBU pode fornecer até 18 kW de energia de reserva, conforme necessário.

Figura 3: Diagrama de blocos de um BBU OCP ORV3 da Analog Devices.

Figura 4. (a) Visão geral mecânica em 3D de um módulo ADI BBU e (b) simulações de fluxo de ar.

A representação mecânica e a simulação do fluxo de ar são duas das vantagens arquitetónicas do projeto de referência do módulo BBU. Em primeiro lugar, inclui uma visualização que permite representações precisas e visualmente atraentes. A análise mecânico-estrutural identifica problemas de projeto e potenciais alterações numa fase inicial, auxiliando todo o processo de projeto. Por último, mas não menos importante, pode reduzir a necessidade de protótipos físicos, que podem ser demorados e dispendiosos. Além disso, a simulação do fluxo de ar permite a análise de desempenho, a identificação de potenciais problemas e o aumento da eficiência do projeto. Aborda também a gestão térmica, ajudando a identificar pontos quentes, otimizar a dissipação de calor e melhorar a fiabilidade geral do sistema. Adicionalmente, o planeamento dos espaços das baterias para garantir a segurança e a conformidade com as normas ajuda a reduzir os riscos. Para mais informações, consulte a Figura 4b.

Figura 5. Representação 3D de um bastidor BBU da ADI com seis módulos BBU inseridos.

Dados e Resultados
Os resultados dos ensaios apresentados abaixo incluem medições de desempenho em regime permanente, formas de onda de desempenho funcional, medições de temperatura e transições operacionais. As seguintes configurações foram testadas utilizando o projeto de referência do módulo BBU:

Tabela 1. Parâmetros do módulo BBU ORV3

Operação de descarga (modo Boost) Operação de carga (modo Buck)
Tensão de entrada: 30 V a 44 V Tensão de entrada: 49 V a 53 V
Tensão de saída: 47,5 V a 48 V Tensão de saída: 48 V
Carga de saída: 0 A a 63,2 A Carga de saída: 0 A a 5 A
Frequência de comutação: 150 kHz Frequência de comutação: 400 kHz

Dados de Desempenho:
Eficiência e Perda de Potência.
O projeto de referência do módulo BBU demonstra a capacidade de superar as limitações de eficiência e perda de potência especificadas na especificação ORV3 BBU. Os limites de descarga e de carga foram definidos em 97% e 95%, respetivamente. Durante o período de descarga, a eficiência média medida com meia carga (31,6 A) foi de 98,5%, enquanto a eficiência média com carga total (63,2 A) foi de 98%. Foi conseguida uma elevada eficiência e redução da ondulação da corrente utilizando um indutor substancialmente maior, uma menor resistência dreno-fonte dos MOSFETs e uma frequência de comutação cuidadosamente selecionada. Além disso, o módulo BBU atinge uma elevada eficiência média de 97% durante o funcionamento com uma carga de 5 A. Operar com uma frequência de comutação de 400 kHz e utilizar o mesmo valor de indutor aumentou ainda mais a eficiência e minimizou as perdas de potência. Uma elevada eficiência e menores perdas de potência prolongarão a vida útil da bateria e reduzirão a velocidade do ventilador necessária para o arrefecimento térmico. Ver Figura 6.
Por outro lado, as perdas por condução nos MOSFETs de controlo e de temporização contribuem para as perdas totais de potência durante as operações de descarga e carga da BBU.

Figura 6: Eficiência e perda de potência durante os modos de funcionamento de descarga e carga, respetivamente.

Queda de Tensão de Saída
Outro requisito da especificação da BBU ORV3 era a inclusão de uma queda de tensão durante o funcionamento em modo de descarga. A queda de tensão consiste na perda deliberada da tensão da placa de base da BBU durante o funcionamento com carga do sistema. A tensão da placa de base da BBU é modificada em tempo real em resposta à corrente de carga do sistema medida pelo conversor DAC em circuito LTC2971. Como resultado, a queda de tensão da placa de base, desde a condição sem carga até à condição de carga total, é mantida abaixo do limite de ±1% exigido pela BBU ORV3. Ver Figura 7.

Figura 7. Queda de tensão de saída durante o funcionamento em modo de descarga.

Formas de Onda de Comutação:
A análise das formas de onda de comutação fornece informações valiosas para a avaliação de desempenho, análise de falhas, otimização de eficiência, redução de EMI e considerações de segurança. Permite aos engenheiros identificar e resolver problemas, otimizar o desempenho do sistema e garantir a operação fiável e eficiente do módulo BBU no data center.
A operação de comutação do módulo BBU é fundamental durante o modo de descarga, uma vez que converte a tensão de 30 V a 44 V do conjunto de baterias numa tensão de 48 V para a placa-mãe. Isto é conseguido utilizando um MOSFET de potência síncrona precisamente regulado pelo sinal de modulação por largura de pulso (PWM) do LT8228 e auxiliado pelo LT8551, que replica a ação do LT8228. A frequência de comutação e a distribuição de corrente de cada fase, resultando numa tensão escalonada, são importantes para o seu funcionamento. A Figura 8 mostra as formas de onda de comutação do conversor principal e do seu expansor multifásico sob carga total. No modo de carga, o conversor bidirecional opera em modo monofásico, reduzindo a tensão de entrada de 49 V a 53 V da motherboard para 44 V para carregar a bateria. Opera comutando rapidamente o MOSFET de potência síncrono e aumentando a corrente do indutor. A forma de onda de comutação do conversor bidirecional com uma carga de 5 A é apresentada na Figura 9.

Figura 8. Formas de onda de comutação do controlador principal e do expansor durante o funcionamento em modo de descarga com uma entrada de 44 V e uma carga de saída de 63,2 A.

Figura 9. Forma de onda de um controlador principal durante o modo de carregamento, operando com uma entrada de 53 V e uma carga de saída de 5 A.

Desempenho Térmico:
O desempenho térmico e a eficiência devem ser cuidadosamente equilibrados. Embora seja crucial ter um módulo BBU capaz de suportar altas temperaturas e continuar a operar sem sobreaquecimento, é igualmente importante que opere com uma eficiência otimizada, convertendo o máximo possível de energia de entrada em energia de saída. Na Figura 10, a pior temperatura medida na placa foi de apenas 40 °C a 60 °C durante o modo de descarga, que operou à carga máxima durante cerca de 4 minutos. No modo de carga, a temperatura nos MOSFET síncronos foi inferior a 50 °C. Um sistema de arrefecimento a ar adequadamente concebido reduz o calor emitido pelos componentes e evita a fuga térmica. O espaçamento correto entre as células na pilha de baterias e um design de fluxo de ar adequado proporcionam um arrefecimento térmico suficiente. Veja a Figura 12.

Transição Operacional:
A operação de transição de um módulo BBU é crucial para garantir o fornecimento ininterrupto de energia durante as falhas ou flutuações de energia. Este procedimento envolve a transferência contínua de energia da bateria para o backplane do data center, garantindo que os sistemas e dispositivos vitais continuam a funcionar durante 4 minutos. O módulo BBU monitoriza constantemente a tensão do barramento do backplane. Quando a tensão do barramento desce para o nível de ativação do módulo BBU de 48,5 V durante 2 ms, a tensão da placa de base do módulo BBU deve aumentar para fornecer energia total ao barramento no espaço de 2 ms. A tensão do barramento nunca deve descer abaixo do nível de ativação do módulo BBU. A tensão do barramento nunca deve descer abaixo dos 46 V durante toda a transição. Ao detetar que a tensão do barramento está acima dos 48,5 V durante mais de 200 ms, o módulo BBU sai do modo de descarga. Veja a Figura 12.

Figura 10. Desempenho térmico da placa a operar em plena carga durante os modos de operação de descarga e carga, respetivamente.

Figura 11. Projeto do espaçamento de uma pilha de baterias.

Figura 12. Transição da operação estável para a interrupção do fornecimento de energia.

Resumo

Os data centers estão a adotar sistemas de 48 V para poupar energia. O bastidor de servidores de 48 V é mais eficiente em termos de potência e dissipação de calor, tamanho e custo do que o bastidor de servidores de 12 V, devido à menor corrente, perdas no cobre e tamanho da barra de alimentação. Um estágio de entrada não regulado de alta eficiência, seguido de um regulador de tensão ajustado à carga apropriada, é o mais adequado para os microprocessadores e a memória em servidores de data center. Estes níveis de reflexão, juntamente com a mais recente inovação da OCP, abrem caminho para uma distribuição de energia mais eficiente e um design inteligente de unidades de reserva de bateria (BBU) para suportar operações contínuas e sem falhas.
A seleção e implementação do dispositivo correto para o módulo e suporte da BBU simplifica o design global, prolonga o ciclo de vida da bateria, reduz o longo tempo de desenvolvimento de engenharia e minimiza os custos de engenharia e produção. Além disso, o fornecimento de simulações mecânicas encurta a fase de prototipagem, oferece dados que podem ser utilizados para melhorar o arrefecimento e a gestão térmica e aumenta a fiabilidade do projeto. Finalmente, fornecer um algoritmo e uma sequência de firmware adequados e bem concebidos garante o funcionamento suave e sem problemas da BBU.
A segunda parte desta série analisará as principais funções e operações do microcontrolador nos diversos módulos BBU, em relação ao seu projeto especializado para a manutenção de BBU. Também proporcionará uma compreensão mais aprofundada de como as informações úteis são monitorizadas e utilizadas para construir e executar uma rotina de fluxo de trabalho adequada.

Sobre o autor:
Christian Cruz é Engenheiro de Desenvolvimento de Aplicações Sénior na Analog Devices, Inc., Filipinas. É licenciado em engenharia eletrónica pela Universidade de Oriente, em Manila, Filipinas. Tem mais de 12 anos de experiência em engenharia nas áreas de design analógico e digital, design de firmware e eletrónica de potência, incluindo o desenvolvimento de circuitos integrados de gestão de energia, bem como conversão de energia CA-CC e CC-CC. Ingressou na ADI em 2020 e atualmente suporta os requisitos de gestão de energia para aplicações de computação em nuvem e comunicação de sistemas.

Gary Sapia é licenciado em Engenharia pela Texas A&M University, com cursos avançados de eletrónica de potência e design de sistemas de radiofrequência. Tem mais de 28 anos de experiência focada no design e desenvolvimento de sistemas analógicos, incluindo conversão de energia e soluções de alta frequência para os mercados de comunicação e GPS. Antes de se juntar à Analog Devices, Gary trabalhou durante 18 anos como engenheiro de aplicações de campo na Linear Technology (agora parte da ADI), com foco na Cisco e noutras empresas líderes de redes da região da Baía de São Francisco.

Marvin Neil Solis Cabueñas licenciou-se em Engenharia Eletrónica pela Universidade De La Salle, em Manila, nas Filipinas. Antes de se juntar à ADI em 2021, Marvin trabalhou como Engenheiro de Sistemas na Azeus Systems Philippines, Inc., depois como Engenheiro de Redes na Technistock Philippines, Inc. de 2014 a 2017 e como Engenheiro de Investigação e Desenvolvimento no Nokia Technology Center Philippines de 2017 a 2020. Tem mais de dez anos de experiência em diversas áreas, incluindo programação de sistemas embebidos, processamento digital de sinais, modelação de simulação, entre outras. Atualmente trabalha como Engenheiro de Sistemas de Software Sénior em vários projetos para a Unidade de Negócio de Energia da ADI. Está a frequentar o Mestrado em Engenharia Elétrica na Universidade das Filipinas.