Progetto dell’alimentatore: un fattore sempre più critico

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I progettisti coinvolti nello sviluppo di sistemi di elaborazione avanzati non possono più concedersi il lusso di considerare l’alimentatore come la classica “scatola nera” da integrare alla fine del progetto. Dedicare la dovuta attenzione al progetto della sezione di potenza nelle fasi iniziali è essenziale per due motivi: la crescente complessità delle schede per server, che richiedono livelli di potenza ed efficienza sempre maggiore e la necessità di realizzare soluzioni in grado di supportare diverse generazioni di prodotti.

Fig 1 – Il gran numero di terminali di alimentazione sulla scheda ha portato all’adozione dell’architettura IBA (Intermediate Bus Architecture) che richiede la presenza di numerosi convertitori PoL

D’altro canto, i progettisti devono poter disporre di soluzioni di potenza flessibili in grado di adeguarsi a eventuali variazioni del progetto del sistema e adottare un approccio basato su piattaforme per il design della sezione di potenza, al fine di semplificare i futuri sviluppi. La possibilità di configurare, controllare e monitorare le funzionalità di erogazione della potenza è una caratteristica distintiva dei moduli di potenza configurabili per via digitale.

Il ruolo dell’alimentazione

Le schede di elaborazione ad alte prestazioni come quelle presenti nei server utilizzati nei data center pongono problematiche sempre più complesse in termini di routing (istradamento) e posizionamento, nel momento in cui i progettisti cercano di ottimizzare sia le risorse di elaborazione dati e di memorizzazione sia l’occupazione di spazio, in modo da consentirne l’integrazione in rack di dimensioni standard. Una scheda PCB, popolata da processori avanzati, oltre che da circuiti ASIC e FPGA con un gran numero di I/O e che richiedono più domini di potenza, può prevedere più di 20 strati per ospitare le piste per i segnali ad alta velocità critici dal punto di vista delle temporizzazioni e la distribuzione della potenza.

Fig. 2 – I sistemi che adottano un’architettura di potenza digitale sono estremamente flessibili e il gestore del sito può avere accesso a ciascuna sezione della scheda, fino al singolo regolatore PoL, attraverso l’interfaccia digitale

Possono essere necessari fino a 40 o 50 power rail (in pratica i terminali che forniscono l’alimentazione), che richiedono un gran numero di convertitori PoL (Point-of-Load) alimentati da convertitori IBC (Intermediate Bus Converter): questi ultimi richiedono la presenza di un alimentatore AC/DC front-end (lo schema è riportato in Fig. 1). Molto spesso, più power rail vengono utilizzati per fornire potenza a un singolo circuito integrato e l’ordine in cui si susseguono le operazioni di accensione (power up) e spegnimento (power down) assumono un’importanza critica per un corretto funzionamento dell’integrato stesso. Per implementare la sequenza richiesta tra i diversi power rail è necessario instradare in modo opportuno i segnali utilizzati per comunicare lo stato dei differenti alimentatori.

Il progetto dell’infrastruttura preposta all’erogazione della potenza è caratterizzato da vincoli sempre più stringenti. Per minimizzare resistenze e induttanze parassite è necessario ricorrere a vari piani di potenza, mentre il numero di condensatori di disaccoppiamento richiesto è sempre maggiore. Questi devono essere posizionati in prossimità del carico al fine di garantire una tolleranza molto stretta per la tensione e assicurare un comportamento stabile nel caso si verifichino improvvise variazioni di carico.

In assenza di un disaccoppiamento adeguato, tali variazioni di carico possono dar vita a fenomeni transitori sui terminali di tensione che a loro volta possono generare eventi indesiderati come ad esempio reset spuri. Oltre a ciò, le connessioni di potenza devono coesistere con le piste di segnale e non interferire con il loro instradamento, espressamente progettato per assicurare un controllo accurato delle lunghezze dei percorsi, un elemento critico per la temporizzazione.

Nel momento in cui i vincoli relativi all’erogazione della potenza si fanno più severi, i progettisti devono prendere in considerazione nella fase iniziale del design la tipologia e il posizionamento dei moduli di potenza e dei relativi componenti. La definizione del routing per l’erogazione della potenza in questa fase permette di effettuare una stesura delle piste conforme alle linee guida finalizzate a garantire l’integrità dei segnali, in modo del tutto analogo a quel che accade per i segnali ad alta velocità. Cercare di “comprimere” il circuito per la distribuzione della potenza in una fase successiva spesso compromette la possibilità di assicurare un’erogazione “pulita” della potenza e ciò spesso comporta una riduzione delle prestazioni del prodotto.

Flessibilità e supporto per le future evoluzioni

Anche se è senz’altro utile definire l’architettura per la distribuzione della potenza nelle fasi iniziali di un progetto, è anche necessario prevedere un certo grado di flessibilità, utile per modificare alcuni parametri, come ad esempio la potenza di uscita di un convertitore PoL, le tensioni di un terminale o la sequenza di accensione/spegnimento, per tenere il passo con l’evoluzione del progetto.

Fig. 3 – Un esempio di GUI (Graphical User Interface) per applicazioni di potenza digitale. Grazie alla potenza digitale è possibile controllare istantaneamente l’impostazione dei margini (margining), monitorare i parametri operativi e configurare l’alimentazione

I moduli di potenza digitali possono garantire la flessibilità richiesta dai progettisti. A differenza delle tradizionali architetture di potenza di tipo analogico che, essendo di tipo fisso, richiedono variazioni a livello hardware o di cablaggi nel caso siano necessarie modifiche, i moduli digitali possono essere riprogrammati per regolare i parametri in modo rapido ed economico (Fig. 2). Come riportato in figura 3, la sequenza dei terminali di tensione può essere configurata e ri-configurata con semplicità mediante regolatori di tensione digitali. I moduli digitali, inoltre, richiedono un numero ridotto di componenti esterni, a tutto vantaggio della semplicità progettuale e della riduzione dello spazio occupato sulla scheda.

Nel corso del progetto e dello sviluppo di un prodotto è quasi inevitabile l’apporto di modifiche o aggiornamenti. Come già discusso, molte di queste operazioni possono essere effettuate mediante la riconfigurazione dei moduli di potenza a controllo digitale già integrati nel sistema senza quindi la necessità di dover modificare la scheda PCB principale o i moduli preposti all’erogazione della potenza. Ovviamente, si potrebbero verificare situazioni che richiederanno aggiornamenti di natura fisica al circuito originale.

Un caso tipico è quello in cui la corrente di carico aumenta a un valore superiore a quello previsto dalle specifiche originali, per cui è necessario il ricorso a componenti elettrici di maggiori dimensioni per fornire la corrente addizionale richiesta dal carico. Uno dei vantaggi legati all’utilizzo dei moduli di potenza è rappresentato dalla possibilità di minimizzare l’impatto del processo di aggiornamento della scheda PCB principale, solitamente complessa e costosa. L’aggiornamento a un modulo di potenza caratterizzato da una potenza di uscita maggiore spesso si riduce al solo spostamento delle piazzole o dei fori di montaggio, senza modificare nessun’altra specifica di progetto della scheda PCB stessa.

Grazie alla potenza digitale, inoltre, è possibile utilizzare un approccio basata su una piattaforma, che risulta particolarmente efficiente se si considera il fatto che le esigenze in termini di potenza tendono a divenire sempre più complesse col passare del tempo. Nella fase decisionale è importante adottare la “dovuta diligenza” e la scelta di un fornitore in grado di offrire un’ampia scelta di prodotti non solo contribuisce a semplificare l’implementazione di modifiche nel corso del progetto ma anche ad agevolare lo sviluppo delle future generazioni di prodotti.

Gestione termica ed efficienza

Nel momento in cui aumenta la domanda di potenza da parte del sistema, è indispensabile conoscere la quantità di calore che dovrà essere dissipata dal sistema stesso. Sebbene nel progetto termico viene posta una particolare attenzione ai requisiti di raffreddamento dei componenti ad alta potenza, è necessario prendere anche in considerazione il costo ascrivibile al raffreddamento dei moduli di alimentazione. Un contributo importante all’ottimizzazione termica deriva dal fatto di tener conto del progetto dell’alimentatore nelle fasi iniziali del progetto.

I moduli digitali, inoltre, facilitano il monitoraggio delle prestazioni relative alla potenza in tempo reale, consentendo in tal modo di effettuare regolazioni “al volo” per ottimizzare l’efficienza energetica. I moduli di potenza configurabili per via digitale mettono a disposizione strumenti aggiuntivi ai team che si occupano di progettazione, valutazione e manutenzione da utilizzare per esaminare e monitorare lo stato termico del sistema. Tali moduli, infine, possono essere impiegati sia per monitorare l’ambiente termico locale sia per creare facilmente configurazioni di tipo ‘what if’ con le quali sollecitare e valutare lo stato termico del sistema.

Un consorzio “ad hoc” per la potenza digitale

La specifica PMBus mette a disposizione un linguaggio comune per configurare, controllare e monitorare i moduli presenti in un sistema di potenza. Il consorzio AMP Group (Architects of Modern Power) ha contribuito a semplificare l’integrazione e l’intercambiabilità dei moduli di potenza digitali mediante la standardizzazione del comportamento di tali moduli nel momento in cui devono rispondere a comandi PMBus.

AMP Group fu fondato nel 2014 da CUI, Ericsson Power Modules e Murata. Questo consorzio ha definito un certo numero di specifiche per convertitori PoL e IBC con differenti valori di potenza nominale. Queste specifiche comuni tengono anche conto delle caratteristiche prestazionali e della coerenza a livello firmware, oltre che delle tradizionali specifiche meccaniche come fattori di forma e assegnamento dei pin.

L’insieme di queste specifiche garantisce l’interoperabilità tra moduli equivalenti prodotti da ciascuna azienda aderente al consorzio, rendendo possibile l’approvvigionamento da fornitori diversi. I membri di AMP Group stanno già fornendo prodotti compatibili tra di loro ed è previsto il lancio di numerosi nuovi prodotti in grado di soddisfare appieno le future necessità degli utilizzatori.

Nel momento in cui i requisiti di potenza delle apparecchiature di elaborazione e trasmissione dati tendono a diventare sempre più stringenti, i progettisti devono affrontare le problematiche relative al progetto dell’alimentatore fin dalle prime fasi dello sviluppo di un sistema. Gli attuali sistemi richiedono un numero crescente di power rail e impongono vincoli severi in termini di messa in sequenza, regolazione e prestazioni in presenza di transitori. Anche l’ottimizzazione dell’efficienza energetica sta assumendo un ruolo via via più importante.

Per soddisfare tutte queste richieste è necessaria un’attenta gestione delle risorse di routing e dell’occupazione dello spazio sulla scheda, ma è anche auspicabile una certa flessibilità per poter adattare l’architettura di potenza nel corso dell’evoluzione del progetto del sistema. I moduli di potenza configurabili per via digitale consentono ai team che si occupano della progettazione e dello sviluppo di configurare, controllare e monitorare in modo semplice il sistema per l’erogazione della potenza e gli effetti sul prodotto finale. Una particolare attenzione al progetto della sezione di potenza nelle fasi iniziali e la flessibilità propria dei moduli digitali come ad esempio i convertitori PoL e IBC sono elementi indispensabili per soddisfare i requisiti imposti a livello di prestazioni, costi e time-to-market.

Steve Pimpis, AMP Group

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