Più efficienza nei datacenter, nelle comunicazioni e nelle telecomunicazioni

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Introdurre un componente in grado di mutare radicalmente le regole del gioco è un po’ come per un golfista andare in buca al primo colpo. Entrambi questi eventi sono piuttosto rari, ma tutti sanno che primo o poi accadrà, anche se è difficile ipotizzare quando e da parte di chi. Si tratta di eventi generalmente impossibili da prevedere anche per l’osservatore più attento.

È dunque in questa categoria che rientra a pieno titolo la comparsa di un MOSFET da 30V e meno di 1 mΩ di RDS(ON). Il nuovo Fairchild FDMS7650 è un dispositivo N-channel caratterizzato da un valore Max RDS(ON) di soli 0,99 mΩ (con VGS=10 V e ID=36 A), il livello di RDS(ON) più basso in assoluto per un package POWER56 da 5×6 mm, considerando che i MOSFET da 30 V in package 5×6 mm presentano mediamente valori RDS(ON) tra 1,4 e 1,6 mΩ.

Dal punto di vista pratico, la on-state resistance RDS(ON) drain-to-source complessiva di un MOSFET è composta dalla resistenza del chip e dalla resistenza del package. Tale parametro è importante per due ragioni: innanzitutto perché da esso dipende in maniera diretta la dissipazione della potenza, e in secondo luogo perché proprio il valore di RDS(ON) determina la capacità di gestire la tensione da parte del chip in una particolare e specifica applicazione.

Nel caso del nuovo MOSFET di Fairchild ci troviamo di fronte a una combinazione avanzata di chip e package ottimizzata per applicazioni switch DC ad alta densità come gli alimentatori ORing attivi ridondanti per server e sistemi di telecomunicazione ad alta disponibilità. Il dispositivo FDMS7650 è l’ideale per le applicazioni ORing, in quanto la bassa RDS(ON) assicura una caduta di tensione minima in on-state, ottimizzando l’efficienza con minime perdite di conduzione e superiori performance termiche.

I package Power56 sono progettati in modo da minimizzare lo spazio richiesto sulla scheda ottimizzando il valore di RDS(ON)

Sostituire i diodi ORing
Applicazioni ad alta disponibilità quali i sistemi per le infrastrutture di comunicazione e telecomunicazione e i server per i datacenter spesso dispongono di più alimentatori configurati in parallelo per ragioni di flessibilità, ridondanza o capacità. Tali alimentatori possono essere implementati in modo da condividere il carico, attraverso l’attenta progettazione del bus di alimentazione, oppure possono operare uno in modalità attiva e l’altro in standby. In questo modo il sistema può rimanere operativo anche nell’eventualità che un alimentatore si guasti, poiché l’alimentatore di riserva subentra a quello non più funzionante.

Le architetture di alimentazione ridondanti, dal canto loro, si affidano alle soluzioni ORing. Una soluzione ORing attiva combina un MOSFET di potenza e un controller integrato. Idealmente i MOSFET ORing dovrebbero avere una risposta dinamica rapida – così da poter reagire tempestivamente a eventuali malfunzionamenti nella fonte di alimentazione – unitamente a una minima RDS(ON). Per quale ragione?

Perché la bassa RDS(ON) minimizza le perdite di conduzione e contribuisce ad accrescere l’efficienza del sistema. Le perdite di conduzione sono in relazione al duty cycle, alla resistenza drain-to-source e alla tensione di carico attraverso il dispositivo. Poiché duty cycle e tensione di carico sono determinate dall’applicazione, il parametro RDS(ON) è una variabile che può essere specificata dal progettista e pertanto dovrebbe essere la più bassa possibile.

Nonostante la soluzione a diodo ORing discreta sia in uso ormai da diverso tempo e sia poco costosa da implementare, alla luce della prevedibile crescita costante dei requisiti di alimentazione da parte dei sistemi il suo principale punto debole – la dissipazione di potenza – diventa insostenibile. Grazie alla sua RDS(ON) estremamente bassa, un MOSFET ORing FDMS7650 offre una soluzione maggiormente praticabile in quanto, a parità di tensione, evita la caduta di tensione del diodo e la perdita di potenza, e dissipa il calore come fa il tradizionale diodo Schottky.

I diodi ORing possono anche essere ingombranti. In virtù della bassa dissipazione di potenza e della modesta dipendenza dalla gestione termica, i MOSFET ORing che utilizzano componenti come il dispositivo FDMS7650 possono essere molto meno ingombranti, in linea con l’attuale tendenza verso moduli dalle dimensioni sempre più contenute per le moderne infrastrutture telecom/datacom.

Risparmiare corrente nei datacenter
I datacenter sono costantemente assetati di corrente. Un tipico datacenter può consumare tra 1 e 20MW di elettricità, e per ogni euro investito nell’hardware di elaborazione è necessario mettere in conto 50 centesimi circa per l’alimentazione e il raffreddamento.

Studi di settore hanno rivelato che su scala globale i datacenter consumano approssimativamente 180 miliardi di chilowattora di elettricità all’anno, oltre l’1% del totale mondiale. Questa cifra equivale al consumo annuo di elettricità tipico di 60 milioni di abitazioni, più di un terzo di tutte le case presenti nell’Unione Europea. Per esempio, alcuni report hanno calcolato che il nuovo datacenter di Google a Dalles (Oregon), quando sarà pienamente operativo nel 2011, potrebbe arrivare a consumare fino a 103MW di corrente, un livello di potenza pari a quello necessario per alimentare tutte le abitazioni di Newcastle.

Migliorare l’efficienza degli alimentatori avrà anche un impatto indiretto sui costi di esercizio dei datacenter. Poiché nella conversione inefficiente di energia il consumo di elettricità si manifesta anche come calore indesiderato, la maggiore efficienza dei sistemi si tradurrà in minori costi per il raffreddamento dell’infrastruttura. Alcuni studi indicano che il sistema di raffreddamento di un datacenter può assommare anche a oltre il 40% del consumo complessivo di corrente.

Il packaging del dispositivo FDMS7650
Questo MOSFET N-Channel viene prodotto tramite la sofisticata tecnologia di processo Fairchild PowerTrench, la quale permette di ottenere valori di RDS(ON) inferiori e tensioni di carico maggiori tramite package più compatti.

I MOSFET di potenza in package SO-8 hanno goduto di una discreta popolarità tempo fa, anche se negli ultimi anni è venuto alla ribalta un package più aggiornato, denominato Power56. Nei package SO-8 nella versione aggiornata Power56 i parametri di induttanza e resistenza sono più bassi, così come la resistenza termica.

I package Power56 sono progettati in modo da minimizzare lo spazio richiesto sulla scheda ottimizzando il valore di RDS(ON). Grazie a un’ampia piastra di dissipazione posta alla base per convogliare il calore fuori dal package e lontano dal PCB, questa configurazione di packaging offre anche superiori performance termiche. Le capacità elettriche e termiche del package Power56 sono comparabili a quelle della configurazione DPAK, ma con soltanto con il 40% dell’area PCB occupata.

Questa tecnologia di packaging richiede tecniche di montaggio leggermente differenti rispetto al package SO-8 convenzionale; tuttavia gli ingegneri di Fairchild affermano che coloro che hanno familiarità con package caratterizzati da grandi aree planari troveranno le due tecniche di montaggio molto simili. Nel progettare una scheda per un package Power56, lo sviluppatore deve tenere presente che il drain è il modo più efficiente per dissipare calore. In considerazione della peculiarità del package Power56 è possibile far scorrere le tracce in rame da tre lati del chip. Per ottenere le migliori performance termiche si consiglia di utilizzare la maggiore quantità di rame possibile sul drain mantenendo il path termico breve lasciando sgombra l’area attorno al drain tab. Per maneggiare i compon
enti del package Power56 è possibile utilizzare le attrezzature standard.
 

Michael Speed, segment marketing director di Fairchild Semiconductor

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