. : New eShop! - Mobilní verze - Pandatron.cz - Pandatron.sk - Diskuzní fórum - Zakázkový vývoj : .
 
Nový řadič řeší úspory energie v napájecím systému serveru
10. března 2010 - 9:14 | Rais Miftakhutdinov | Nový řadič řeší úspory energie v napájecím systému serveru | Komentářů: 0  

Nový řadič řeší úspory energie v napájecím systému serveru

Článek popisuje nové průmyslové požadavky na napájecí zdroje a uvádí i vysvětluje základní strategie řízení, poskytující vysokou účinnost v celém rozsahu možné zátěže.

Nové státní a průmyslové normy a předpisy vyžadují pro napájecí systémy datových a telekomunikačních serverů zvýšenou účinnost v celém rozsahu spotřeby. Jedním z příkladů je dokument “ENERGY STAR® Program Requirements for Computer Servers” (ENERGY STAR® Plánované požadavky na počítačové servery), který nabyl účinnosti 15. května 2009. Výsledkem je, že rozdílná hlediska návrhu napájecího zdroje včetně architektury systému, topologie, obvodových prvků a řízení musí být brána v úvahu jako celek. Tento článek se soustřeďuje na řízení s ohledem na zlepšení účinnosti a řeší koncept řadiče pro DC/DC převodník.

Snaha o účinnost
Vysoká účinnost při plné zátěži byla pro napájecí zdroje datových a telekomunikačních serverů vždy kritická. V poslední době se ale pozornost přesunula k účinnosti v celém rozsahu zátěže. Důvodem je skutečnost, že současné systémy se po dlouhou dobu nacházejí ve stavu střední nebo malé zátěže. Tento posun se odráží v nových normách a předpisech. Jedním z příkladů je ENERGY STAR Program Requirements for Computer Servers, verze 1, s účinností od 15. května 2009. Tento předpis stanovuje požadavky na účinnost a spotřebu pro napájecí zdroje serverů [1], jak je uvedeno v Tabulce 1.

Jmenovitý výstupní výkon 10 % zátěž 20 % zátěž 50 % zátěž 100 % zátěž
< 500 W 70% 82% 89% 85%
500 – 1000 W 75% 85% 89% 85%
> 1000 W 80% 88% 92% 88%
Tabulka 1: Požadavky na účinnost pro napájecí zdroje serverů typu AC/DC nebo DC/DC s jedním výstupem

Typický napájecí zdroj pro servery zahrnuje stupeň kompenzace účiníku (PFC) následovaný oddělovacím DC/DC převodníkem a pohotovostním nízkovýkonovým napájecím zdrojem. Cíle stanovené pro účinnost každé části napájecího zdroje musí vyhovovat požadavkům normy ENERGY STAR. Tato skutečnost je uvedena v Tabulce 2 pro napájecí zdroj, který obsahuje stupeň PFC, DC/DC převodník 660 W a pohotovostní zdroj 5 V/2 A.

Jmenovitý výstupní výkon 10 % zátěž 20 % zátěž 50 % zátěž 100 % zátěž
Účinnost z Tabulky 1 75% 85% 89% 85%
Účinnost AC/DC převodníku 80,8% 88,8% 90,5% 85,1%
Účinnost PFC 95,3% 96,4% 97,6% 97,7%
Účinnost pohotovostního zdroje 80% 82% 85% 85%
Cílová účinnost DC/DC převodníku 85,2% 92,7% 93% 87,1%
Tabulka 2: Cílové hodnoty účinnosti pro PFC, pohotovostní zdroj a DC/DC převodník 660 W

Strategie řízení úspor energie
Dalším krokem při návrhu DC/DC převodníku je volba optimální topologie a řízení zahrnující:

  • Prokládání fází pro lepší rozložení proudu a teploty při maximální zátěži s rozdělováním fáze při malé zátěži;
  • Synchronní usměrňování s použitím tranzistorů MOSFET s emulací diody při malé zátěži, aby se zamezilo cirkulaci proudu. Nejlepším řešením je vypnutí obvodů řízení usměrňovače s tranzistory MOSFET při malé zátěži. Výkon synchronního usměrňovače závisí ve značné míře na přesném časování mezi spínači na primární a sekundární straně.
  • Správné použití vypínání při nulovém napětí (ZVS) a při nulovém proudu (ZCS) snižuje ztráty při spínání. To vyžaduje optimální adaptivní nebo prediktivní zpoždění mezi okamžiky spínání.
  • Optimální nastavení napětí pomocné sběrnice, řídicího napětí a dalších systémových parametrů;
  • Hladký přechod od jednoho režimu ke druhému v závislosti na provozních podmínkách. Například od režimu spojitého proudu k nespojitému, od pevného kmitočtu ke snižování kmitočtu, atd.;
  • Správné využití režimu vynechání impulzů nebo skupiny impulzů při malé zátěži nebo bez zátěže.

Pro převodník následující za kompenzací účiníku je dávána přednost použití topologií ZVS, jako jsou úplný můstek s fázovým posuvem, asymetrický poloviční můstek a rezonanční obvod LLC. Úplný můstek s fázovým posuvem má dlouhou historii využívání z důvodu kombinace užitečných vlastností [2]. Aby však byla udržena vysoká účinnost v širokém rozsahu zátěže, je zapotřebí další optimalizace řízení.

DC/DC převodník s fázovým posuvem a s pokročilým řízením
Hlavní výhody převodníku s fázovým posuvem je vypínání při nulovém napětí (ZVS) na primární straně tranzistorů MOSFET, pulzní šířková modulace s pevným kmitočtem, spolehlivé zpracování zkratů s proudovým omezením v každém cyklu a široký rozsah vstupního napětí. Hlavní nevýhodou je proud cirkulující primárními spínači v době vypnutí a potřeba přepěťové ochrany nebo blokovacích obvodů pro synchronní usměrňovač. Zlepšení účinnosti je dosaženo použitím synchronního usměrňování - řízení, které zajišťuje vypínání při nulovém napětí (ZVS) v celém rozsahu zátěže, přesného adaptivního časování mezi primárními a sekundárními tranzistory MOSFET a zvláštními provozními režimy při malé zátěži. Pro tuto aplikaci existuje celá řada digitálních a analogových řadičů od Texas Instruments [3]. Zjednodušené schéma takového převodníku s koncepcí řadiče je uvedeno na obr. 1.


Obr. 1: Převodník typu úplný můstek s fázovým posuvem a pokročilým řadičem

Řadič je na sekundární straně, což umožňuje snazší komunikaci a lepší ošetření některých přechodných stavů, které vyžadují rychlé přímé řízení tranzistorů MOSFET usměrňovače. Pro výstup 12 V je oblíbeným řešením usměrňovač se středním vývodem.

Aby byla zajištěna vysoká účinnost v celém rozsahu zátěže, pracuje převodník v normálním režimu synchronního usměrňování při střední a vysoké zátěži s přechodem do režimu diodového usměrňovače při malé zátěži. Při dalším poklesu zátěže poté přechází do režimu skupiny impulzů (obr. 2). Všechny tyto přechody vycházejí ze snímání proudu na primární straně při použití proudového transformátoru (CT).

Pro nejvyšší účinnost a spolehlivý provoz je kritické časování mezi primárními tranzistory MOSFET a tranzistory MOSFET usměrňovače. Řadič nastavuje vypínání tranzistorů MOSFET usměrňovače jako funkci zátěže, aby zajistil minimální dobu vodivého stavu substrátové diody a minimální ztráty při zotavení.

Aby byly zajištěny podmínky vypínání při nulovém napětí pro celý rozsah zátěže, nastavuje řadič dobu zpoždění mezi primárními tranzistory MOSFET ve stejné větvi podle zátěže. Řadič také omezuje minimální dobu impulzu pro sepnutí při malé zátěži, čímž je umožněna akumulace dostatečné energie pro vypínání při nulovém napětí.

Je nezbytné zabránit zpětnému proudu protékajícímu tranzistory MOSFET usměrňovače a výstupní indukčností při nízké zátěži během paralelního provozu a za určitých přechodných podmínek. Tento zpětný proud má za následek oběh další energie mezi vstupem zdroje a zátěží, čímž způsobuje nárůst ztrát. Dalším negativním důsledkem je ztráta vypínání při nulovém napětí. Navrhované schéma řízení zabraňuje toku zpětného proudu a současně zachovává výhody synchronního usměrňování. Při dosažení přednastavené hodnoty proudu zátěže snižuje řadič řídící signály z přesahujících na 50-procentní střídu a postupně zkracuje dobu trvání impulzu až do vypnutí při dosažení druhé přednastavené prahové úrovně. Toto se nazývá přechodný režim.


Obr. 2: Časovací schémata a přechody mezi režimy pro úsporu energie

Pod určitou prahovou hodnotou proudu přesahují ztráty ve spojení s usměrňovačem, tranzistory MOSFET a řadičem, úspory dosažené synchronním usměrňováním. V tomto okamžiku je výhodné zablokovat řídicí obvod a využít substrátových diod, nebo vnějších diod zapojených paralelně s tranzistory MOSFET, pro výstupní usměrnění. Tento provozní režim se nazývá režim s nespojitým proudem při usměrnění diodami.

Při velmi malé zátěži nebo bez zátěže může být střída, požadovaná při řízení s uzavřenou zpětnovazební smyčkou, velmi nízká a může vést ke ztrátě vypínání při nulovém napětí a ke zvýšení spínacích ztrát. Aby tomu bylo zabráněno, řídicí obvod omezuje minimální šířku impulzu přivedeného na výkonový transformátor při sepnutí. To znamená, že jediným způsobem, jak za těchto podmínek udržet regulaci je možnost vynechávat impulzy. Řadič vynechává impulzy kontrolovatelným způsobem, aby bylo zabráněno saturaci výkonového transformátoru. Toto je nazváno režimem skupiny impulsů - burst mode.

Blokové schéma tohoto řadiče je uvedeno na obr. 3. Řadič poskytuje adaptivní časování mezi primárními a sekundárními tranzistory MOSFET a adaptivní zpoždění pro primární spínače ve stejné větvi vycházející ze signálu snímače proudu (CS). Při malé zátěži poskytuje blok řízení účinnosti optimální přechod mezi různými režimy podle obr. 2 jako funkci CS. Kromě toho poskytuje tento řadič i všechny další důležitější funkce a charakteristiky, které se obvykle v takových integrovaných obvodech nacházejí.


Obr. 3: Blokové schéma IO pokročilého řadiče s posuvem fáze

Závěr
V článku jsou popsány nové požadavky průmyslu a předpisů na zvýšenou účinnost v širokém rozsahu zátěže pro napájecí zdroje serverů. Jsou uvedeny a vysvětleny řídící strategie, které poskytují vysokou účinnost v celém rozsahu zátěže. K dalším úvahám byl vybrán úplný můstek s fázovým posuvem. Je zde tedy vysvětleno pokročilé řízení takového převodníku spolu s koncepcí řadiče.

Autoři: Rais Miftakhutdinov, technolog řízení napájení a Zhenyu Yu, marketingový manager, Texas Instruments

O autorech:
Rais Miftakhutdinov je technolog řízení napájení u společnosti Texas Instruments. Rais je zodpovědný za výzkum a stanovení nových technologií pro řadiče a regulátory napájecích zdrojů, má za sebou přes 30 let zkušeností v oboru výkonové elektroniky. Publikoval víc než 40 článků a studií a je držitelem 12 patentů v USA a v bývalém SSSR. Rais získal doktorát ve výkonové elektronice na Moskevském státním leteckém institutu. Rais je také členem Technical Staff při TI a členem společností IEEE, PELS, SSCS, CPMT a CAS.

Zhenyu Yu je vedoucím útvaru rozvoje prodeje ve skupině AEC při Texas Instruments, kde je zodpovědný za trh v oblasti serverů a telekomunikačních napájecích zdrojů a za rozvoj prodeje. Má více než 16 let zkušeností z oblasti řídicích systémů a řízení napájení a je rovněž členem Technical Staff při TI. Yu získal titul PhD na Washington University, St. Louis, Missouri. Byly mu uděleny dva patenty v USA.

Odkazy:
[1] “ENERGY STAR program requirements for computer servers, version 1.0”, tento dokument naleznete na: http://www.energystar.gov/index.cfm?c=archives.enterprise_servers.
[2] J. Zhang, X. Xie, X. Wu a Z. Qian, “Comparison study of phase-shifted full bridge ZVS converters,” (Srovnávací studie ZVS převodníků s úplným můstkem a s fázovým posuvem) PESC 2004 Conference Proceedings, 2004, pp. 533-539.
[3] Více informací o řešení analogového řízení napájení od TI najdete na: http://focus.ti.com/docs/solution/folders/print/735.html. Více informací o digitálním řešení naleznete na: http://focus.ti.com/docs/solution/folders/print/737.html







GooglePlus1 FaceBook Twitter del.icio.us DiGG Google StumbleUpon Google Buzz Email RSS PDF Tisk

Komentáře:
Název příspěvku: Vaše jméno: host
                 
  Zakázat formátování [Zakáže kódování a nahrazování smajlíky.]
Připojit soubory
reklama:
USB teploměr
Digitální USB teploměr s možností připojení externího čidla, funkcí termostatu se zasíláním e-mailu i přenosem dat na webový server.
Skladem od 500 Kč

Informace uvedené v článcích jsou platné v době jejich vydání a samotné články jsou určeny pouze jako zdroj informací. Autor článku ani správce webu nenesou žádnou zodpovědnost za případné újmy na majetku a zdraví. Názvy společností a výrobků, loga a další multimediální materiál mohou být ochrannými známkami příslušných společností.
RSS kanály: | |
+420 723 846 377
info@pandatron.cz
Všechna práva vyhrazena | mobilní verze | © Copyright 2000 - 2016 ISSN 1803-6007