As fontes de alimentação (PSUs) e os conjuntos de unidades base (BBUs) são essenciais para centros de dados, redes, servidores e dispositivos de armazenamento na arquitetura de ponta Open Rack Version 3 (ORV3) do Open Compute Project (OCP). O conversor de energia central fornece a maior parte da energia elétrica necessária. No entanto, o herói desconhecido é a componente de energia auxiliar, que desempenha um papel vital na manutenção da robustez, fiabilidade e segurança de todo o ecossistema energético, incluindo tanto a PSU como a BBU.

Na análise detalhada que se segue, examinaremos o papel da fonte de alimentação auxiliar no projeto de referência do módulo BBU, explorando as suas funções e mecanismos internos. Ao aprofundarmos as complexidades da fonte de alimentação auxiliar, o nosso objetivo é destacar o seu importante contributo para a manutenção de um fornecimento contínuo de energia e para a proteção dos nossos valiosos recursos técnicos contra possíveis danos.

Alimentação em espera:
A alimentação auxiliar é utilizada para fornecer energia secundária dentro de uma BBU (Unidade de Módulo de Bateria). Mesmo que a alimentação da motherboard seja interrompida ou indisponível, a energia suplementar continua a alimentar os dispositivos dentro do módulo, permitindo o funcionamento contínuo das funções essenciais armazenadas na BBU. Esta capacidade de alimentação em espera permite que a unidade mantenha e sustente operações críticas, como um processo de transição seguro, monitorização constante, gestão de circuitos de controlo complexos e suporte contínuo a dispositivos de baixo consumo de energia. A alimentação auxiliar garante a capacidade dos módulos de distribuir energia quando necessário, fornecendo um fornecimento contínuo e ininterrupto durante as falhas de energia. Isto, por sua vez, atua como uma proteção contra possíveis perturbações e evita a perda de dados.

Regulação de Tensão:
Garantir um estado de equilíbrio constante e uma tensão de saída constante é vital para alcançar o desempenho ideal dos dispositivos dentro da BBU. A importância da alimentação auxiliar neste cenário não pode ser subestimada, pois atua como uma medida de proteção crucial, monitorizando a área sensível do controlo de tensão dentro da arquitetura sofisticada de um módulo BBU. A alimentação auxiliar monitoriza constantemente a tensão de saída, coordenando os ajustes e a estabilização dentro dos limites precisos de um espectro de tolerância meticulosamente definido.
Esta regulação atua como uma proteção, melhorando a interação entre a BBU e os dispositivos conectados. A alimentação auxiliar garante uma fonte de alimentação estável e fiável, protegendo contra flutuações de tensão que possam levar a avarias, corrupção de dados ou danos físicos.
A alimentação auxiliar torna-se essencial graças à sua calibração precisa. Não só mantém o módulo a funcionar com eficiência, como também protege os dispositivos ligados. Esta combinação de precisão e fiabilidade permite que a fonte de alimentação, a BBU e diversos dispositivos associados no data center tenham uma vida útil mais longa, maior eficiência e vitalidade operacional duradoura.

Arrefecimento e Controlo de Ventoinhas:
A gestão eficaz do arrefecimento é crucial para evitar o sobreaquecimento dos equipamentos elétricos. A alimentação auxiliar controla e coordena as ventoinhas dentro da BBU (Unidade de Bateria de Banda Larga). Este processo de arrefecimento ajuda a preservar a BBU e os dispositivos compatíveis. Esta configuração utiliza a alimentação auxiliar para controlar a velocidade das ventoinhas e criar um ambiente de arrefecimento estável e eficiente. O resultado é um sistema bem equilibrado que mantém as temperaturas de funcionamento ideais e protege contra os efeitos nocivos do sobreaquecimento.
A dissipação de calor envolve interações complexas dentro da dinâmica térmica. Este sistema gere o calor para evitar falhas por sobreaquecimento. A regulação cuidadosa da temperatura e a alimentação auxiliar aumentam o desempenho e a fiabilidade.

Características de proteção e segurança:
As BBU possuem diversas características vitais de segurança e proteção que salvaguardam tanto os dispositivos ligados como o conversor de energia. A integração de alimentação auxiliar é essencial para viabilizar a implementação e monitorização destas funções. A alimentação auxiliar permite uma série de medidas proativas, incluindo a proteção contra sobretensão, sobrecorrente e curto-circuito, bem como a monitorização da temperatura. Esta monitorização em tempo real através da alimentação auxiliar garante uma resposta rápida a anomalias ou problemas através de verificações contínuas de parâmetros. A rápida ativação dos mecanismos de proteção previne danos na fonte de alimentação e nos dispositivos ligados, mitigando os riscos elétricos e melhorando significativamente a segurança global do sistema.

Avaliação Diagnóstica:
A BBU realiza testes de autodiagnóstico periódicos para validar a sua funcionalidade antes de fornecer energia aos dispositivos ligados. Neste processo, a fonte de alimentação auxiliar fornece a tensão e os sinais de controlo necessários para iniciar e concluir a rotina de diagnóstico. Esta autoavaliação ajuda a detetar rapidamente possíveis falhas na BBU, incluindo problemas nos componentes ou irregularidades de tensão. A participação da fonte de alimentação auxiliar contribui para um melhor desempenho e para uma maior vida útil da fonte de alimentação, permitindo a identificação precoce e a localização precisa de avarias. Esta abordagem proativa aumenta a fiabilidade e a disponibilidade da fonte de alimentação, garantindo o fornecimento ininterrupto de energia e reduzindo significativamente o risco de falhas do sistema.

A ferramenta de conceção de fontes de alimentação LTpowerCAD® da ADI fornece informações técnicas personalizadas e dados de desempenho para componentes concebidos especificamente para a alimentação auxiliar da BBU. Esta poderosa combinação simplifica com sucesso o complexo processo de avaliação elétrica, acelera a fase de prototipagem e reduz significativamente o tempo total de desenvolvimento dos circuitos de alimentação auxiliar. Como resultado, o tempo de revisão e a complexidade do projeto do circuito são consideravelmente reduzidos.
A Figura 1 ilustra um circuito auxiliar concebido para otimizar o fluxo de energia durante o funcionamento da BBU nos modos de carga ou descarga, refletindo o intenso esforço de engenharia envolvido. Em contraste, a Figura 2 mostra um circuito auxiliar de baixa potência para o modo de espera da BBU, com reguladores de baixa queda de tensão (LDOs) e um único conversor buck.

Figura 1. Projeto de um circuito auxiliar para um módulo BBU durante o funcionamento nos modos de carga e descarga.

Figura 2. Projeto de um circuito auxiliar para um módulo BBU durante o modo de repouso.
Para alimentar estes conversores de energia, microcontroladores e outros periféricos, o circuito auxiliar do módulo BBU é composto por seis pistas de tensão, como se pode ver na Tabela 1.

Tabela 1. Carris de tensão BBU

Durante o funcionamento em modo de carga ou descarga
Durante o funcionamento em modo de repouso
► Calha de polarização de 12V
► Calha de polarização de 5V, 3,3V, 1,8V e 1,2V
► Calha de polarização de -3,0V

► Carris de polarização de 3,3 V, 1,8 V e 1,2 V

Alimentação auxiliar durante a operação de carga ou descarga da BBU.
Calha de polarização de 12V.
O LT8645S é um driver buck síncrono de alta tensão com uma notável capacidade de carga até 8A. A sua principal função é converter eficientemente a tensão de alimentação da placa-mãe de 48 V numa tensão de alimentação auxiliar de 12 V, o que faz com extrema precisão. A integração de condensadores de bypass no dispositivo diferencia-o de outros drivers buck de alta tensão — uma escolha estratégica que não só elimina a necessidade de uma placa de circuito impresso maior, como também lida habilmente com desafios como loops de corrente rápidos e emissões de interferência eletromagnética (EMI). Esta combinação resulta num aumento significativo da eficiência global, melhorando a capacidade do driver de otimizar o consumo de energia.

A linha de polarização de 12 V serve de base para componentes críticos, incluindo conversores de energia, fontes de alimentação para ventiladores e circuitos de barramento de partilha de corrente. Ao atuar como o principal condutor de energia para estes componentes essenciais, a linha de polarização de 12V permite um funcionamento e desempenho ininterruptos. Estes componentes estão perfeitamente integrados numa única fonte de alimentação, e o LT8645 desempenha um papel crucial no aumento da eficiência e da funcionalidade.

Rastos de polarização de 5 V, 3,3 V, 1,8 V e 1,2 V.
A utilização do LT8692S, um driver buck síncrono de quatro canais, foi uma escolha deliberada para fornecer uma vasta gama de saídas: 5 V, 3,3 V, 1,8 V e 1,2 V. Esta configuração foi especialmente importante para acomodar a redução da tensão auxiliar, em consonância com as tensões de barramento mais baixas. Guiado por um oscilador único que opera a 2 MHz, o driver coordena as suas saídas com precisão e sincronização.
O que realmente diferencia o dispositivo são os condensadores integrados, uma característica crítica para satisfazer os rigorosos requisitos de desempenho de EMI, uma vez que minimiza a suscetibilidade do projeto ao ruído. Esta funcionalidade melhora significativamente a sua compatibilidade com ambientes e aplicações sensíveis ao ruído. A arquitetura de quatro canais, caracterizada pela sua elevada integração, não só permite poupar espaço, como também promove uma abordagem de projeto mais concisa e eficiente.
Para explicar como é utilizado, os rails de 5V fornecem energia para a alimentação do amplificador, o controlador Modbus UART, os sensores digitais de temperatura e o dispositivo de gestão de energia. As saídas de 3,3 V, 1,8 V e 1,2 V alimentam o dispositivo EEPROM, o microcontrolador principal (MCU) e o MCU do sistema de gestão da bateria (BMS), respetivamente.

O LTC1983 inversor de bomba de carga, fornecendo uma alimentação negativa crítica de 3V para os amplificadores operacionais que acionam a BBU. A sua capacidade de gerar uma potente carga de saída de 100mA requer apenas alguns condensadores adicionais, demonstrando a sua eficiência intrínseca. Notavelmente, esta eficiência é ainda melhorada pelo seu tamanho reduzido, uma característica de design que oferece vantagens específicas, uma vez que se encaixa a apenas 1mm da placa de alimentação da BBU.
como

Alimentação auxiliar durante o modo de hibernação do BBU.
Calhas de polarização de 3,3 V, 1,8 V e 1,2 V.
O MAX17551 destaca-se como um conversor buck síncrono, transformando a tensão de 48 V do banco de baterias numa saída estável de 3,3 V. Esta tensão atua como um condutor estratégico, direcionando a energia para os pinos digitais de uso geral tanto do MCU principal como do MCU do BMS enquanto estão em modo de hibernação. Este conversor buck foi escolhido pelos seus pontos fortes: a sua versatilidade em tensões de entrada que variam entre 4 V e 60 V, o seu tamanho reduzido e a sua excepcional eficiência de funcionamento, com um consumo mínimo de energia inferior a 10 mW. Esta convergência de características torna-o a melhor solução para melhorar a durabilidade e a resiliência geral do banco de baterias.
O ADP165 realiza uma redução de tensão mais sofisticada, diminuindo com precisão a tensão de alimentação de 3,3 V para 1,2 V. Esta redução específica serve como fonte de alimentação primária para as operações básicas tanto do microcontrolador principal como do microcontrolador do BMS. A integração estratégica de um regulador LDO no circuito do microcontrolador permite uma melhor regulação da tensão, uma redução significativa do ruído, uma arquitetura de design otimizada, uma eficiência operacional superior e um elevado nível de fiabilidade. Além disso, o ADP165 consome menos de 15 µW de potência, contribuindo significativamente para a poupança de energia e, consequentemente, para uma maior duração da bateria.
Por fim, o MAX38911com a sua redução precisa da tensão de alimentação de 3,3 V para 1,8 V. Este regulador LDO pode fornecer até 500 mA de corrente de carga, suficiente para fornecer a corrente de carga necessária aos microcontroladores. O conversor de energia consome aproximadamente 19,2 μA de corrente de alimentação no modo de baixo consumo, sendo adequado para funcionamento em modo de repouso.
A importância de uma gestão térmica eficaz para manter um desempenho ideal consistente não pode ser subestimada, dada a notável eficiência da fonte de alimentação auxiliar, que atinge 94% durante o carregamento ou descarregamento e 62% em modo de espera. Selecionar o melhor dispositivo para o circuito auxiliar é crucial para além da funcionalidade comum, uma vez que constitui a base para a integridade do projeto em todo o espectro operacional da BBU. Esta escolha estratégica permite prever o consumo total de energia e calcular a vida útil estimada da bateria. Além disso, oferece oportunidades económicas para melhorar o desempenho do circuito auxiliar, levando, em última análise, a uma melhoria geral da eficiência da unidade. ¹

Resumo:
Neste artigo final da série, a alimentação auxiliar é apresentada como um componente crucial das unidades de bateria (BBUs), coordenando várias funções importantes. O seu papel envolve uma série de responsabilidades essenciais, todas elas fundamentais para o funcionamento estável, fiável e seguro destas unidades. Como proteção para a alimentação de reserva, a alimentação auxiliar ajusta os níveis de tensão, gere a energia dos ventiladores para arrefecimento térmico, implementa medidas de proteção e realiza autotestes de arranque. Esta complexa interação de operações converge para fornecer uma alimentação ininterrupta, proteger os nossos dispositivos e prolongar a vitalidade geral do sistema.
A alimentação auxiliar é crucial para fornecer energia fiável e suplementar aos nossos dispositivos analógicos e digitais. Os avanços na tecnologia de alimentação auxiliar estão constantemente a melhorar a eficiência, a reduzir as perdas de energia e a aumentar a segurança das fontes de alimentação (PSUs) e das unidades de bateria (BBUs) dos centros de dados, impulsionando a inovação para novos patamares. Este progresso contínuo é uma resposta firme às crescentes exigências energéticas geradas pelo nosso mundo tecnológico em constante mudança, que influencia tanto o nosso presente como o nosso futuro electrificado.
Cada artigo desta série serve como um recurso abrangente, fornecendo orientações precisas e capacitando os engenheiros de projeto e aplicação com o conhecimento necessário para construir uma solução mais inteligente, fiável e económica, baseada nas sofisticadas especificações fornecidas pelo BBU OCP ORV3. Isto é conseguido através de um processo meticuloso de seleção de componentes, diretrizes preparadas, metodologias de engenharia e recomendações de procedimentos.
Referências
1 David Sun. “Open Compute Project Open Rack V3 48 BBU Rev: 1.3.” Open Compute Project, novembro de 2022.

Sobre o autor

Christian Cruz é Engenheiro de Desenvolvimento de Aplicações na Analog Devices, Inc., Filipinas. Possui um bacharelato em Engenharia Eletrónica pela Eastern Manila University, Filipinas. Tem mais de 12 anos de experiência em engenharia, com foco em projetos analógicos e digitais, firmware e eletrónica de potência, incluindo o desenvolvimento de circuitos integrados para gestão de energia, bem como conversão de energia CA-CC e CC-CC. Ingressou na ADI em 2020 e é atualmente responsável pelos requisitos de gestão de energia para aplicações de computação em nuvem e comunicação de sistemas.

Sobre o autor

Ralph Clarenz Matociños licenciou-se em Engenharia Eletrónica pela Pamantasan ng Lungsod ng Maynila (PLM) em Manila, Filipinas. Tem mais de um ano de experiência em engenharia e conhecimento especializado em design analógico e digital, bem como em eletrónica de potência, incluindo o desenvolvimento de circuitos integrados para sistemas de gestão de baterias e conversão de energia CC-CC.