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Backup de batería inteligente para energía ininterrumpida Parte 1: Diseño eléctrico y mecánico

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Este artículo describe los requisitos del sistema para la unidad de respaldo de batería (BBU) de Open Compute Project Open Rack versión 3 (OCP ORV3). Destaca la importancia de contar con una BBU eficiente e inteligente que pueda proporcionar energía durante los cortes de energía. Además, mostrará las soluciones de diseño analógico y digital, las soluciones eléctricas y mecánicas y sus arquitecturas que se desarrollan para cumplir con las especificaciones escritas.

Introducción
Los centros de datos impulsan Internet y conectan comunidades de todo el mundo. Las empresas de redes sociales como Facebook, Instagram y X (anteriormente conocida como Twitter) dependen de centros de datos para la difusión y el almacenamiento de información, mientras que los motores de búsqueda como Yahoo! y Google utilizan centros de datos para impulsar su motor de búsqueda principal y sus funciones de almacenamiento. Casi todas las principales empresas y agencias gubernamentales de todo el mundo requieren una funcionalidad de centro de datos fiable para operar y mantener sus funciones comerciales principales mediante cálculo, almacenamiento y búsqueda inteligentes. A medida que la cantidad de usuarios crece cada año, la capacidad del centro de datos continúa creciendo a un ritmo extraordinario para mantenerse al día con las demandas y las mejoras tecnológicas. A medida que aumentan estas demandas de crecimiento, también debe hacerlo la arquitectura del sistema del centro de datos para mantener el ritmo.
OCP, una organización que comparte diseños de centros de datos, tiene una definición de arquitectura de sistema que se basa en Open Compute Project Open Rack Version 2 (OCP ORV2) en el que el voltaje del backplane es nominalmente de 12 V y una potencia del sistema de 3 kW. Por otro lado, un mayor uso provoca un aumento en las necesidades de energía, elevando excesivamente el requisito de energía del sistema de 12 V y, en consecuencia, perjudicando el rendimiento general del sistema. Para solucionar este problema, el voltaje del backplane se aumenta a 48 V mientras la alimentación del sistema permanece sin cambios, lo que minimiza la cantidad de trazas de corriente y cobre necesarias y reduce el calor disipado en el backplane. Este cambio mejora la eficiencia general del sistema y reduce la necesidad de un sistema de refrigeración complejo. Esta es la base del nuevo estándar Open Rack versión 3, OCP ORV3.

Figura 1. La arquitectura de energía de OCP ORV3.


La confiabilidad de un centro de datos es una necesidad operativa fundamental. Agregar BBU al sistema proporciona redundancia del sistema. En caso de un corte de energía o una caída de tensión, el sistema necesita tiempo para detectar la situación, preservar los datos vitales y trasladar el funcionamiento a otro servidor del centro de datos, muy probablemente en una instalación y ubicación del centro de datos diferente. Esto debe lograrse de manera fluida. Se utilizan sistemas de energía de respaldo en cada rack para regular la energía de retención del sistema. Esta necesidad se define en el estándar más reciente, ORV3 BBU, como una potencia de salida de 15 kW equivalente a 4 minutos de funcionamiento del sistema por unidad BBU, basada en el almacenamiento y acondicionamiento de energía de una batería de iones de litio.
Esta especificación proporciona a Analog Devices una guía para completar y diseñar una solución de diseño de referencia que incorpora su convertidor de potencia bidireccional para un circuito único dedicado a la operación de carga y descarga, un dispositivo de sistema de administración de batería (BMS), un microcontrolador huésped de sistema de diseño integrado con soporte de firmware y GUI, y amplificación de hardware a través de la colaboración con la organización OCP.


Requisitos de diseño e implementación de hardware
A medida que la organización OCP proporcione la especificación (Revisión 1.3), describirá los requisitos necesarios para conceptualizar y diseñar para cumplir con el estándar del módulo BBU. El diseño de referencia del módulo BBU se basa en la propuesta ORV3 de 48 V y consta de un paquete de baterías con BMS, circuito de carga/descarga y otros bloques de funcionalidad, como se ilustra en la Figura 2.

Figura 2. Diagrama de bloques de OCP ORV3 BBU.

Aparte de los requisitos de circuitos, el módulo BBU deberá tener varios modos de funcionamiento principales durante su vida útil, y son los siguientes:
- Modo de suspensión (Sleep mode): esto ocurre cuando el módulo BBU está en transporte o almacenado, o no está conectado a una barra colectora activa, lo que minimiza la corriente de descarga de la celda para un tiempo de almacenamiento más prolongado. La supervisión o los informes de BBU no están disponibles en el modo de suspensión. La BBU se activará y saldrá del modo de suspensión cuando se detecte que el voltaje de la barra colectora está por encima de 46 V durante > 100 ms y < 200 ms y la señal PSKILL sea baja.
- Modo de espera (Standby mode): Es cuando el módulo BBU está completamente cargado y en buen estado, y supervisa constantemente la tensión de la barra colectora para estar preparado para un evento de descarga. El módulo BBU funciona en este modo durante la mayor parte de su vida útil. El estado y los parámetros de los módulos BBU son visibles en el monitor de rack aguas arriba a través del bus de comunicación.
- Modo de descarga (Discharge mode): Cuando la tensión de la barra colectora cae por debajo de 48,5 V durante > 2 ms, se activa el modo de descarga del módulo BBU. Se espera que el módulo BBU se haga cargo de la tensión de la barra colectora en 2 ms con un tiempo de reserva de 4 min.
- Modo de carga (Charge mode): Es cuando el módulo BBU habilita su circuito cargador interno para cargar su paquete de baterías cuando se cumplen todas las condiciones. La corriente de carga puede ser de 0 A a 5,5 A en función de la profundidad de descarga previa de la capacidad de la batería. También permite que el sistema anterior anule la corriente de carga a través del bus de comunicación. Debe existir un esquema de control del tiempo de espera del cargador basado en la corriente de carga calculada.
- Modo de comprobación del estado de salud - State of Health Check mode (SOH): Es cuando el módulo BBU comprueba rutinariamente la capacidad del pack de baterías mediante la descarga forzada del mismo. El módulo BBU realizará la prueba SOH cada 90 días para determinar el estado EOL de la batería.
- Modo de control del sistema (System Control mode): La BBU permitirá al sistema aguas arriba controlar el funcionamiento del cargador/descargador a través del bus de comunicación.

Además de los requisitos de funcionamiento del módulo BBU, OCP especifica la norma para la capacidad del paquete de baterías, el tipo de celda de la batería y la configuración del paquete de baterías. Estos son los siguientes
- Capacidad del paquete de baterías: El módulo BBU puede proporcionar 3 kW de energía de reserva no más de 4 minutos durante un período de 4 años.
- Tipo de celda de batería: El módulo BBU debe ser del tipo Li-Ion 18650 con un voltaje de celda de 3,5 V a 4,2 V, una capacidad de batería mínima de 1,5 AH y una corriente nominal de descarga Continua de 30 A.
- Configuración del paquete de baterías: El módulo BBU tendría una configuración de pack de baterías de 11S6P (seis cadenas de celdas en paralelo de 11 celdas en serie cada cadena).

 Además, se requiere que el módulo BBU tenga un BMS para los algoritmos de carga/descarga de la batería, protecciones, señales de control e interfaces para la comunicación. El BMS también es responsable de disponer de un circuito de equilibrado de celdas en el que la tensión de las celdas del pack de baterías se mantenga dentro de un margen de ±1% (0,1 V).

El diagrama de bloques del diseño de referencia (véase la Figura 3) muestra las piezas seleccionadas e integra varios elementos designados para determinadas tareas y construye circuitos capaces de suministrar alimentación ininterrumpida, determinar el estado del módulo, los fallos y las comunicaciones del módulo. El LT8228, un controlador síncrono bidireccional, está alojado dentro del módulo BBU. Este dispositivo ofrece conversión de potencia en caso de interrupción de la alimentación de línea y cargador de baterías durante el funcionamiento sin fallos. El LT8551, un expansor de fase de CC a CC síncrono de refuerzo de 4 fases, funciona en tándem con el LT8228 para aumentar la entrega de capacidad de potencia de descarga a 3 kW por módulo BBU. Además de los circuitos integrados de conversión de potencia, el módulo BBU incorpora el MAX32690, un microcontrolador Arm® de consumo ultrabajo, responsable del funcionamiento general del sistema. El LTC2971, un gestor del sistema de alimentación de 2 canales, se utiliza para la detección precisa y la detección de fallos de la línea de alimentación, así como para una función crucial de caída de tensión. El MAX31760, un controlador de velocidad de ventilador de precisión, se utilizó para realizar la refrigeración del sistema durante las operaciones de carga y descarga. Una EEPROM actúa como almacenamiento de datos, permitiendo al usuario recuperar cualquier dato utilizable en el módulo BBU durante su tiempo de servicio. Además del convertidor de potencia y el microcontrolador de mantenimiento, se incluyó en el diseño un circuito integrado BMS. El ADBMS6948, un monitor de batería multicelda de 16 canales, se utiliza para monitorizar el nivel de tensión de la batería, mientras que su contador de coulomb inherente se empleó para determinar el estado de carga (SOC) y los niveles de SOH para el equilibrado de celdas y el cálculo de la esperanza de vida de la batería. El procedimiento de supervisión del estado de salud de la batería lo realiza el MAX32625, un microcontrolador Arm de consumo ultrabajo. Ambos microcontroladores se han seleccionado cuidadosamente para reducir el consumo total de energía y prolongar así la vida útil de la batería durante el funcionamiento en modo de reposo de la BBU.
Aparte de los componentes suministrados, este módulo de referencia también produce y construye el módulo BBU (véase la Figura 4a) y el soporte (shelf) BBU (véase la Figura 5) para alojar y demostrar el diseño de referencia de acuerdo con las especificaciones mecánicas del módulo y el soporte BBU ORV3 de OCP. El soporte BBU incluye seis ranuras para el módulo BBU, por lo que un solo soporte BBU puede ofrecer una potencia de respaldo de hasta 18 kW según sea necesario.

Figura 3 Diagrama de bloques de una BBU OCP ORV3 de Analog Devices.

Figura 4. (a) Vista general mecánica renderizada en 3D de un módulo BBU de ADI y (b) simulaciones del flujo de aire.

La representación mecánica y la simulación del flujo de aire son dos de las ventajas arquitectónicas del diseño de referencia del módulo BBU. En primer lugar, se incluye una visualización que permite representaciones precisas y atractivas. El análisis mecánico-estructural identifica problemas de diseño y posibles cambios en una fase temprana, lo que ayuda a todo el proceso de diseño. Por último, pero no menos importante, puede disminuir la necesidad de prototipos reales, que pueden llevar mucho tiempo y ser caros. Además, la simulación del flujo de aire permite analizar el rendimiento, identificar posibles problemas y aumentar la eficacia del diseño. También se ocupa de la gestión térmica, ya que ayuda a identificar puntos calientes, optimizar la pérdida de calor y mejorar la fiabilidad general del sistema. Además, la planificación de los espacios de las baterías para garantizar la seguridad y el cumplimiento de la normativa ayuda a reducir los riesgos. Para más información, véase la Figura 4b.

Figura 5. Representación en 3D de un soporte BBU de ADI con seis módulos BBU insertados.

Datos y resultados
Los resultados de las pruebas que se presentan a continuación comprenden mediciones de rendimiento en estado estacionario, formas de onda de rendimiento funcional, mediciones de temperatura y transición de funcionamiento. Se probaron las siguientes configuraciones utilizando el diseño de referencia del módulo BBU:


Tabla 1. Parámetros del módulo ORV3 BBU

Funcionamiento de descarga (modo Boost) Funcionamiento de carga (modo Buck)
Tensión de entrada: 30 V a 44 V Tensión de entrada: 49 V a 53 V
Tensión de salida: 47,5 V a 48 V Tensión de salida: 48 V
Carga de salida: 0 A a 63,2 A Carga de salida: 0 A a 5 A
Frecuencia de conmutación: 150 kHz Frecuencia de conmutación: 400 kHz

Datos de rendimiento
Eficiencia y pérdida de potencia
El diseño de referencia del módulo BBU demuestra la capacidad de superar las limitaciones de eficiencia y pérdida de potencia especificadas en la especificación ORV3 BBU. Las limitaciones de descarga y carga se fijaron en el 97% y el 95%, respectivamente. Para el periodo de funcionamiento de descarga, la eficiencia media medida a media carga (31,6 A) fue del 98,5%, mientras que la eficiencia media a plena carga (63,2 A) fue del 98%. Con la influencia de un inductor sustancialmente mayor, una menor resistencia de drenaje a fuente de los MOSFET y una frecuencia de conmutación cuidadosamente seleccionada se obtendría una alta eficiencia y una corriente de rizado reducida. Además, el módulo BBU alcanza una alta eficiencia media del 97% durante el funcionamiento de carga con una carga de 5 A. Funcionando a una frecuencia de conmutación de (400 kHz) y utilizando el mismo valor de inductor, se incrementó la eficiencia y se minimizaron las pérdidas de potencia. La alta eficiencia y las menores pérdidas de potencia prolongarán el ciclo de vida de la batería y reducirán la velocidad del ventilador necesaria para la refrigeración térmica. Véase la figura 6.
Por otro lado, las pérdidas de conducción de los MOSFET de control y sincronización contribuyen a las pérdidas generales de potencia durante las operaciones de descarga y carga de la BBU.

Figura 6 Eficiencia y pérdida de potencia durante los modos de funcionamiento de descarga y carga, respectivamente.


Caída de tensión de salida
Otro requisito de la especificación ORV3 BBU era la inclusión de un droop de tensión durante el funcionamiento en modo de descarga. El droop de tensión es la pérdida deliberada de la tensión de la placa base de la BBU durante el accionamiento de la carga del sistema. La tensión de la placa base de la BBU se modifica en tiempo real en respuesta a la corriente de carga del sistema medida mediante el convertidor DAC en circuito LTC2971. Como resultado, la caída de tensión de la placa base desde el estado sin carga a plena carga se mantiene por debajo del límite de ±1% requerido por la BBU ORV3. Véase la figura 7.

Figura 7. Estatismo de la tensión de salida durante el modo de funcionamiento de descarga.


Formas de onda de conmutación
El examen de las formas de onda de conmutación proporciona información valiosa para la evaluación del rendimiento, el análisis de fallos, la optimización de la eficiencia, la reducción de EMI y las consideraciones de seguridad. Permite a los ingenieros identificar y resolver problemas, optimizar el rendimiento del sistema y garantizar el funcionamiento fiable y eficiente del módulo BBU en el centro de datos.
El funcionamiento de conmutación del módulo BBU es fundamental durante el funcionamiento en modo de descarga, ya que convierte la tensión del pack de baterías de 30 V a 44 V en tensión de placa base de 48 V. Esto se consigue utilizando un MOSFET de potencia síncrono regulado con precisión por la señal de modulación por ancho de pulsos (PWM) del LT8228 y acompañado por el LT8551, que repite la acción del LT8228. La frecuencia de conmutación y el reparto de corriente de cada fase, que da como resultado una tensión escalonada, son importantes para su funcionamiento. En la Figura 8 se muestran las formas de onda de conmutación del convertidor principal y su expansor multifásico a plena carga. En el modo de carga, el convertidor bidireccional funciona en una sola fase, reduciendo la tensión de 49 V a 53 V de la placa base a 44 V para cargar el pack de baterías. Funciona conmutando rápidamente el MOSFET de potencia síncrono y aumentando la corriente del inductor. La forma de onda de conmutación del convertidor bidireccional con una carga de 5 A se muestra en la Figura 9.

Figura 8. Formas de onda de conmutación del controlador principal y del expansor durante el funcionamiento en modo de descarga a 44 V de entrada y 63,2 A de carga de salida.

Figura 9. Forma de onda de un controlador principal durante el modo de carga funcionando a 53 V de entrada y 5 A de carga de salida.

Rendimiento térmico
El rendimiento térmico y la eficiencia deben equilibrarse cuidadosamente. Si bien es fundamental contar con un módulo BBU que pueda soportar altas temperaturas y seguir funcionando sin sobrecalentarse, también es importante contar con un módulo BBU que pueda funcionar con una eficiencia óptima, convirtiendo la mayor cantidad posible de potencia de entrada en potencia de salida. En la Figura 10, la peor temperatura medida en la placa fue de sólo 40°C a 60°C durante el modo de funcionamiento de descarga, que funcionó a plena carga durante unos 4 minutos. En el modo de carga, la temperatura en los MOSFET síncronos fue inferior a 50°C. Un sistema de refrigeración por aire correctamente construido reduce la temperatura emitida por los componentes y evita el desbocamiento térmico. Un diseño adecuado de los espacios entre celdas en la pila de baterías y un diseño adecuado del flujo de aire proporcionan una refrigeración térmica suficiente. Véase la Figura 12.

Transición de funcionamiento
La operación de transición de un módulo BBU es fundamental para garantizar un suministro de energía ininterrumpido durante interrupciones o variaciones del suministro eléctrico. Este procedimiento comprende la transferencia impecable de la energía del paquete de baterías al backplane de un centro de datos, garantizando que los sistemas y dispositivos vitales sigan funcionando durante 4 minutos. El módulo BBU supervisa constantemente la tensión de la barra colectora del backplane. Cuando la tensión de la barra colectora cae hasta el nivel de activación del módulo BBU de 48,5 V durante 2 ms, la tensión de la placa base del módulo BBU debe aumentar para proporcionar toda la potencia a la barra colectora en 2 ms. La tensión de la barra colectora nunca debe caer por debajo del nivel de activación del módulo BBU. La tensión de la barra colectora nunca debe caer por debajo de 46 V durante toda la transición. Tras detectar que la tensión de la barra colectora es superior a 48,5 V durante más de 200 ms, el módulo BBU abandona el funcionamiento en modo de descarga. Véase la Figura 12.


Figura 10. Rendimiento térmico de la placa funcionando a plena carga durante los modos de operación de descarga y carga, respectivamente.



Figura 11. Diseño del gap de una pila de baterías.



Figura 12. Transición de funcionamiento estable a interrupción del suministro eléctrico.

Resumen

Los centros de datos están adoptando sistemas de 48 V para ahorrar energía. El rack de servidor de 48 V es más eficiente en términos de disipación de energía y calor, tamaño y coste que el rack de servidor de 12 V debido a la menor corriente, las pérdidas de cobre y el tamaño de la barra colectora de energía. Una etapa frontal no regulada de alta eficiencia seguida de un regulador de tensión ajustado a la carga adecuada es la más adecuada para los microprocesadores y memorias de los servidores de centros de datos. Tales niveles de reflexión, así como la última innovación de OCP, allanan el camino para una distribución de energía más eficiente y un diseño inteligente de la unidad de respaldo de batería para respaldar operaciones continuas y sin fallos.
Elegir e implementar el dispositivo adecuado para el módulo BBU y el soporte simplifica el diseño general, amplía el ciclo de vida de la batería, reduce el largo plazo de desarrollo de ingeniería y minimiza los costes de ingeniería y producción. Además, ofrecer simulaciones mecánicas acorta la fase de creación de prototipos, ofrece datos que pueden utilizarse para mejorar la refrigeración y la gestión térmica, y aumenta la garantía del diseño. Por último, el suministro de un algoritmo y una secuencia de firmware adecuados y bien diseñados garantiza un funcionamiento fluido y sin esfuerzo de la BBU.
La segunda parte de esta serie repasará las principales funciones y operaciones del microcontrolador de los distintos módulos BBU en relación con el diseño especializado para el mantenimiento de la BBU. Además, proporcionará una visión más profunda de cómo se monitoriza y utiliza la información útil para construir y ejecutar una rutina de flujo de trabajo correcta.

Sobre el autor
Christian Cruz es Ingeniero Senior de Desarrollo de Aplicaciones en Analog Devices, Inc, Filipinas. Es licenciado en ingeniería electrónica por la Universidad de Oriente en Manila, Filipinas. Tiene más de 12 años de experiencia en ingeniería en el campo del diseño analógico y digital, el diseño de firmware y la electrónica de potencia, que incluye el desarrollo de CI de gestión de potencia, así como la conversión de potencia de CA a CC y de CC a CC. Se unió a ADI en 2020 y actualmente está apoyando los requisitos de gestión de energía para la computación basada en la nube y las aplicaciones de comunicaciones del sistema.

Gary Sapia se licenció en ingeniería por la Universidad A&M de Texas, con cursos de tecnología avanzada en electrónica de potencia y diseño de sistemas de RF. Cuenta con más de 28 años de experiencia centrada en el diseño y desarrollo de sistemas analógicos, incluyendo conversión de potencia y soluciones de alta frecuencia para los mercados de comunicaciones y GPS. Antes de incorporarse a Analog Devices, Gary trabajó 18 años como ingeniero de aplicaciones de campo en Linear Technology (ahora parte de ADI), centrado en Cisco y otras destacadas destacadas empresas de redes del Área de la Bahía.

Marvin Neil Solis Cabueñas se graduó con una licenciatura en ingeniería electrónica de la Universidad De La Salle en Manila, Filipinas. Antes de unirse a ADI en 2021, Marvin trabajó como ingeniero de sistemas para Azeus Systems Philippines, Inc, luego trabajó como ingeniero de redes para Technistock, Philippines, Inc de 2014 a 2017, y como ingeniero de investigación y desarrollo para Nokia Technology Center Philippines de 2017 a 2020. Tiene más de diez años de experiencia laboral en diferentes campos, como programación de sistemas embebidos, procesamiento digital de señales, modelado de simulación y otros. Actualmente trabaja como ingeniero sénior de sistemas de software trabajando en varios proyectos para la Unidad de Negocio de Energía de ADI. Actualmente cursa un máster en ingeniería eléctrica en la Universidad de Filipinas.

 

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