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Progettazione di alimentatori per server con MCU real-time 

Con il crescente dispiegamento a livello globale di server e data center e il conseguente aumento del consumo energetico, la necessità di alimentatori stabili ed efficienti è diventata una esigenza fondamentale. L’utilizzo di energia è aumentato rapidamente a causa del numero sempre più alto di unità di elaborazione centrale, unità di elaborazione grafica e acceleratori necessari per aumentare la velocità di calcolo di server e data center. Questa rapida trasformazione ha portato ad un’evoluzione delle unità di alimentazione (PSU) chiamate a fornire una migliore efficienza energetica, una risposta rapida ai transitori e un’elevata densità di potenza con una maggiore capacità di alimentazione.

Efficienza ad alta potenza

Gli alimentatori per server con un’elevata efficienza energetica possono ridurre i costi e l’impatto ambientale dei data center, riducendo lo spreco di energia e consentendo il massimo trasferimento di energia dalla sorgente al carico. Questa capacità consente ai data center di soddisfare severi standard di efficienza come quello denominato 80 Plus, ottenere un ranking “Titanium” superiore alla media in un’ampia gamma di carichi e rilasciare meno anidride carbonica nell’ambiente.

Risposta veloce ai transitori

Negli alimentatori per server, avere una risposta rapida ai transitori aiuta a fornire un funzionamento stabile ed affidabile nel caso di variazioni di carico e sbalzi della tensione di ingresso. Inoltre, i sistemi devono soddisfare le rigorose specifiche di risposta ai transitori dei produttori di apparecchiature per l’alimentazione dei server: un salto di carico dall’80% al 100% da 2,5 a 5 A/µS. La Figura 1 illustra questi parametri.

Figura 1: esempio di risposta dell’alimentatore ai transitori.

Densità di potenza più elevata con capacità di potenza maggiore

Il crescente consumo energetico di server e data center richiede una maggiore capacità di alimentazione. Le tecnologie emergenti come il nitruro di gallio (GaN) consentono di ridurre le dimensioni degli alimentatori che offrono una maggiore capacità in uno spazio più contenuto. Il controllo dell’elevata frequenza di commutazione con un microcontrollore in tempo reale (MCU) è fondamentale per ottenere un’elevata densità di potenza in questi sistemi e ridurre la distinta base complessiva del sistema.

Risolvere le sfide di progettazione degli alimentatori per server

Per ottenere questi vantaggi, i produttori di alimentatori per server devono affrontare diverse sfide di progettazione, come quelle elencate di seguito:

  • Implementazione di complesse topologie di potenza, come la correzione del fattore di potenza senza Totem-pole, algoritmi di controllo come la commutazione a tensione zero e corrente zero, la rettificazione sincrona e la conversione DC/DC con topologia risonante induttore-induttore-condensatore e controllo ibrido dell’isteresi.
  • Abilitazione delle prestazioni di controllo in tempo reale per un’esecuzione più rapida del ciclo di controllo.
  • Riduzione delle perdite di potenza quando si adottano dispositivi di potenza di tipo wide bandgap come GaN e carburo di silicio (SiC) mantenendo elevate le frequenze di commutazione.

Per soddisfare i crescenti requisiti di efficienza energetica e densità di potenza nei sistemi di alimentazione dei server, gli MCU in tempo reale necessitano di diverse funzionalità chiave, come una catena del segnale a bassa latenza, PWM flessibile e ad alta risoluzione,  loop di controllo veloce ed elevata frequenza di commutazione. La Figura 2 mostra un esempio di diagramma a blocchi dell’alimentatore.

Figura 2: tipica architettura a doppio controller per un alimentatore per server con stadi AC/DC e DC/DC.

I processori real-time TMS320F280039C C2000 offrono tutte queste caratteristiche aiutando a ridurre i costi di progettazione delle PSU dei server. Nel contempo migliorano le catene di segnale real-time integrate (rilevamento, elaborazione e controllo) grazie alla flessibilità e alle nuove capacità. La Figura 3 mostra la famiglia F28003x.

Figura 3: Gli MCU F28003x espandono il portafoglio di MCU in tempo reale C2000. 

Rilevamento di elevata precisione

L’MCU F280039C consente un’elevata efficienza energetica e tempi di risposta ai transitori particolarmente veloci nei progetti di alimentatori per server; tutto ciò grazie ai componenti analogici integrati e ai convertitori analogico-digitale da 4 MSPS con gestione flessibile dell’inizio della conversione, 11 bit effettivi e blocco di post-elaborazione. L’MCU integra anche veloci comparatori analogici con funzioni di controllo della potenza ottimizzate per blanking,  intervento ritardato, controllo della corrente di picco e compensazione della pendenza per una precisa conversione della  potenza.

Elaborazione ad alte prestazioni

Basato su un’architettura DSP a 32 bit, e dotato di un Control Law Accelerator (CLA), l’F280039C offre prestazioni real-time di 240 MIPS, con unità in virgola mobile e unità matematiche trigonometriche per consentire una maggiore densità di potenza e un’elevata risposta ai transitori, indispensabile nei circuiti che richiedono una notevole capacità di elaborazione.

Controllo flessibile ad alta risoluzione

Abilitare maggiori capacità di alimentazione e mantenere la sincronizzazione tra le fasi, anche alle alte frequenze, è fondamentale nei sistemi di alimentazione per server ad alta potenza. L’F280039C offre canali PWM con risoluzione di 150 ps con funzioni quali valley switching, intervento ritardato, regolazione del dead-time e altre ancora che consentono un controllo preciso degli algoritmi e delle complesse topologie di alimentazione. Il blocco logico configurabile integrato migliora ulteriormente la flessibilità PWM e consente un’interfaccia continua con la tecnologia GaN per consentire un’elevata densità di potenza.

Ulteriori vantaggi degli MCU in tempo reale C2000 nei sistemi di alimentazione del server

Oltre ad essere pronti per le esigenze future grazie al controllo in tempo reale particolarmente veloce, MCU F280039C sono già oggi in grado di rispondere ai requisiti degli alimentatori per server ikn virtù delle prestazioni offerte:

  • Aggiornamenti del firmware in tempo reale che consentono il passaggio alle nuove funzionalità senza interrompere l’alimentazione e con un impatto minimo grazie alle avanzate funzioni di gestione dei banchi di memoria.
  • Interfacce di comunicazione che sono passate dal bus PMBus al bus CAN (Controller Area Network) e potenzialmente al CAN-FD, per host più affidabili e una maggiore velocità di trasmissione dei dati.
  • Elevata sicurezza attraverso funzionalità di crittografia (Advanced Encryption Standard, secure boot e Secure Joint Test Action Group) per garantire la massima sicurezza del codice e la protezione da attacchi esterni in un mondo sempre più connesso.

L’MCU F280039C espande la piattaforma MCU C2000, offrendo funzionalità integrate che consentono di ottenere un controllo avanzato in tempo reale, riducendo i costi della distinta base. La famiglia di MCU F28003x completa le esigenze delle tecnologie wide bandgap come GAN e SiC, sbloccando il loro pieno potenziale per una maggiore efficienza energetica e densità di potenza e tempi di risposta più rapidi. Un software di facile utilizzo consente ai progettisti di alimentatori per server di accelerare lo sviluppo di questi circuiti.

Ulteriori informazioni sull’integrato TMS320F280039C sono disponibili qui.

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