Las unidades de suministro de alimentación (PSU) y las BBU son el elemento vital que alimenta el funcionamiento de los centros de datos, las redes, los servidores y los dispositivos de almacenamiento en la arquitectura de vanguardia Open Rack Version 3 (ORV3) del Open Compute Project (OCP). El convertidor de potencia central se encarga de suministrar la mayor parte de la energía eléctrica necesaria. Sin embargo, el héroe desconocido es el componente de alimentación auxiliar, que desempeña una función vital en el mantenimiento de la robustez, la fiabilidad y la seguridad generales de todo el ecosistema de suministro de energía, que incluye tanto la PSU como la BBU.
En el siguiente análisis detallado, examinaremos el papel que desempeña la alimentación auxiliar en el diseño de referencia del módulo BBU, explorando sus funciones y mecanismos internos. Al profundizar en las complejidades de la alimentación auxiliar, nuestro objetivo es destacar su importante contribución al mantenimiento de un suministro eléctrico continuo y a la protección de nuestros valiosos recursos técnicos frente a posibles daños.
Alimentación en espera
La alimentación auxiliar se utiliza para proporcionar alimentación secundaria dentro de una BBU. Incluso si se interrumpe o no está disponible la alimentación de la placa base, la alimentación suplementaria sigue alimentando los dispositivos del interior del módulo, lo que permite el buen funcionamiento de las operaciones clave almacenadas en la BBU. Esta capacidad de alimentación en espera permite a la unidad mantener y sostener operaciones importantes, como un proceso de transición seguro, una supervisión vigilante, la gestión de circuitos de control complejos y la facilitación constante de dispositivos de bajo consumo. La alimentación auxiliar garantiza la capacidad de los módulos para distribuir energía cuando es necesario, proporcionando un suministro continuo e ininterrumpido durante los cortes de energía. Esto, a su vez, actúa como un amortiguador contra posibles perturbaciones y evita que se produzcan pérdidas de datos.
Regulación de voltaje
Garantizar un estado de equilibrio constante y una salida de tensión constante es vital para lograr el rendimiento óptimo de los dispositivos dentro de la BBU. No se puede subestimar la importancia de contar con alimentación auxiliar en este escenario, ya que actúa como una medida de protección crucial, supervisando el área sensible del control de tensión dentro de la sofisticada arquitectura de un módulo BBU. La alimentación auxiliar supervisa constantemente la tensión de salida, coordinando los ajustes y la estabilización dentro de los límites precisos de un espectro de tolerancia meticulosamente definido.
Esta regulación actúa como un escudo, mejorando la interacción mutua entre la BBU y los dispositivos asociados. La alimentación auxiliar garantiza una fuente de energía estable y fiable, protegiendo contra las fluctuaciones de tensión que, de otro modo, podrían provocar fallos de funcionamiento, corrupción de datos o daños físicos.
La alimentación auxiliar se vuelve esencial gracias a su calibración precisa. No solo mantiene el módulo funcionando de manera eficiente, sino que también protege los dispositivos conectados. Esta combinación de precisión y fiabilidad allana el camino para que la PSU, la BBU y una serie de dispositivos asociados en el centro de datos tengan una vida útil más larga, una mayor eficacia y una vitalidad de funcionamiento duradera.
Refrigeración y control del ventilador
Una gestión eficaz de la refrigeración es fundamental para evitar el sobrecalentamiento de los equipos eléctricos. La alimentación auxiliar suministra y coordina los ventiladores dentro de la BBU. Este proceso de refrigeración ayuda a preservar la BBU y los dispositivos compatibles. Esta composición utiliza la alimentación auxiliar para gestionar las revoluciones de los ventiladores y crear un entorno de refrigeración suave y eficiente. El resultado es un sistema bien equilibrado que mantiene temperaturas de funcionamiento óptimas y protege contra los efectos dañinos del sobrecalentamiento.
La disipación del calor implica interacciones complejas dentro de la dinámica térmica. Este sistema gestiona el calor para evitar fallos por sobrecalentamiento. La regulación cuidadosa de la temperatura y la alimentación auxiliar aumentan el rendimiento y la fiabilidad.
Características de protección y seguridad
Las BBU cuentan con una serie de atributos de seguridad y protección vitales, que protegen tanto los dispositivos conectados como el convertidor de potencia. La integración de la alimentación auxiliar es fundamental para permitir el despliegue y la supervisión de estas funciones. La alimentación auxiliar permite una serie de medidas proactivas, que incluyen protecciones contra sobretensión, sobrecorriente y cortocircuito, además de la supervisión de la temperatura. Esta vigilancia en tiempo real mediante la alimentación auxiliar garantiza una rápida respuesta ante anomalías o problemas mediante comprobaciones continuas de los parámetros. La rápida activación de los mecanismos de protección evita eficazmente daños a la fuente de alimentación y a los dispositivos conectados, mitigando los riesgos eléctricos y mejorando notablemente la seguridad general del sistema.
Evaluación diagnóstica
La BBU realiza pruebas de autodiagnóstico periódicas para validar su funcionalidad antes de suministrar energía a los dispositivos conectados. En este proceso, la alimentación auxiliar proporciona el voltaje y las señales de control necesarios para iniciar y concluir la rutina de diagnóstico. Esta autoevaluación ayuda a detectar rápidamente posibles fallos dentro de la BBU, incluyendo problemas con los componentes o irregularidades en el voltaje. La participación de la alimentación auxiliar contribuye a mejorar el rendimiento y prolongar la vida útil de la PSU mediante la identificación temprana y la localización precisa de los fallos. Este enfoque proactivo aumenta la fiabilidad y la preparación de la PSU, lo que garantiza un suministro de energía ininterrumpido y reduce significativamente el riesgo de fallos del sistema.
La herramienta de diseño de fuentes de alimentación LTpowerCAD® de ADI ofrece información técnica personalizada y datos sobre el rendimiento de los componentes diseñados específicamente para la alimentación auxiliar de la BBU. Esta potente combinación agiliza con éxito el complejo proceso de evaluación eléctrica, acelera la fase de prototipado y acelera considerablemente el calendario general de desarrollo de los circuitos de alimentación auxiliar. Como resultado, se reduce notablemente el tiempo dedicado a la revisión y la complejidad del diseño de los circuitos.
En la figura 1, la imagen ilustra un circuito auxiliar diseñado para optimizar el flujo de energía durante el funcionamiento de la BBU en modo de carga o descarga, lo que refleja los intensos esfuerzos de ingeniería realizados. Por el contrario, la figura 2 muestra un circuito auxiliar de baja potencia para el modo de reposo de la BBU, que cuenta con reguladores de baja caída (LDO) y un único convertidor reductor.
Figura 1. Diseño de un circuito auxiliar para un módulo BBU durante el funcionamiento en modo de carga y descarga.
Figura 2. Diseño de un circuito auxiliar para un módulo BBU durante el modo de suspensión.
Para alimentar estos convertidores de potencia, microcontroladores y otros periféricos, el circuito auxiliar del módulo BBU comprende seis carriles de tensión, tal y como se indica en la tabla 1.
Tabla 1. Carriles de tensión del BBU
Durante el funcionamiento en modo de carga o descarga
Durante el funcionamiento en modo de suspensión
► Rail de polarización de 12 V
► Rail de polarización de 5 V, 3,3 V, 1,8 V y 1,2 V
► Rail de polarización de –3,0 V
► Rail de polarización de 3,3 V, 1,8 V y 1,2 V
Alimentación auxiliar durante el funcionamiento en modo de carga o descarga de la BBU
Carril de polarización de 12 V
El LT8645S es un controlador reductor síncrono de alto voltaje con una notable capacidad de carga de hasta 8 A. Su función principal es convertir de manera eficiente el suministro de voltaje de la placa base de 48 V en un suministro de voltaje auxiliar de 12 V, lo que hace con una precisión experta. La integración de condensadores de derivación en el dispositivo lo diferencia de otros controladores reductores de alta tensión, una elección estratégica que no solo elimina la necesidad de una placa de circuito impreso más grande, sino que también resuelve con destreza dificultades como los bucles de corriente rápidos y las emisiones de interferencias electromagnéticas (EMI). Esta combinación da como resultado un aumento significativo de la eficiencia general, lo que mejora la capacidad del controlador para optimizar el consumo de energía.
El carril de polarización de 12 V se perfila como el soporte de los componentes fundamentales que abarcan los convertidores de potencia, las fuentes de alimentación de los ventiladores y los circuitos de bus de reparto de corriente. Al servir como conducto de energía principal para estos componentes críticos, el raíl de polarización de 12 V permite un funcionamiento y un rendimiento sin interrupciones. Los componentes se combinan sintéticamente bajo una fuente de alimentación, y el LT8645 desempeña un papel crucial en la mejora de la eficiencia y la funcionalidad.
Riel de polarización de 5 V, 3,3 V, 1,8 V y 1,2 V
El uso del LT8692S, un controlador reductor síncrono de cuatro canales, fue una elección deliberada con el fin de proporcionar una amplia gama de salidas: 5 V, 3,3 V, 1,8 V y 1,2 V. Este ajuste fue especialmente importante para adaptarse a la reducción de la tensión auxiliar, en consonancia con las tensiones de bus más bajas. Guiado por un oscilador único que funciona a 2 MHz, el controlador coordina sus salidas con precisión y sincronización.
Lo que realmente distingue al dispositivo es la integración de condensadores, una característica fundamental para cumplir los estrictos requisitos de rendimiento EMI, ya que minimiza la susceptibilidad del diseño. Esta característica mejora significativamente su compatibilidad con entornos y aplicaciones sensibles al ruido. La arquitectura de cuatro canales, caracterizada por su alta integración, no solo ahorra espacio, sino que también favorece un enfoque de diseño más conciso y eficiente.
Para explicar cómo se utiliza, los carriles de 5 V proporcionan alimentación para el carril de alimentación del amplificador, el controlador Modbus UART, los sensores de temperatura digitales y el dispositivo de gestión de la alimentación. Las salidas de 3,3 V, 1,8 V y 1,2 V alimentan el dispositivo EEPROM, el microcontrolador principal (MCU) y el MCU del sistema de gestión de la batería (BMS), respectivamente.
–3,0 V Carril de polarización
El LTC1983 es una elección acertada como inversor de bomba de carga, ya que proporciona un carril de alimentación negativo de 3 V crítico para los amplificadores operacionales que controlan la BBU. La capacidad del dispositivo para crear una potente carga de salida de 100 mA solo requiere un par de condensadores adicionales, lo que demuestra su eficiencia intrínseca. Cabe destacar que esta eficiencia se ve reforzada por su pequeño tamaño, una característica de diseño que le confiere ventajas específicas, ya que cumple su función con un espacio de tan solo 1 mm en la placa de alimentación de la BBU.
Alimentación auxiliar durante el funcionamiento en modo de suspensión de la BBU
Carril de polarización de 3,3 V, 1,8 V y 1,2 V
El MAX17551 destaca como convertidor reductor síncrono, transformando el voltaje de 48 V de la pila de baterías en una salida estable de 3,3 V. Este voltaje actúa como un conducto estratégico, canalizando la energía hacia los pines digitales de uso general tanto del MCU principal como del MCU del BMS mientras están en modo de suspensión. Este convertidor reductor fue elegido por sus puntos fuertes: su versatilidad en tensiones de entrada que van de 4 V a 60 V, su tamaño reducido y su eficiencia operativa excepcional, con un consumo mínimo inferior a 10 mW. Esta convergencia de características lo convierte en la mejor solución para mejorar la durabilidad y la resistencia generales de la pila de baterías.
El regulador LDO ADP165 logra una reducción de voltaje más sofisticada, bajando con precisión el voltaje de alimentación de 3,3 V a 1,2 V. Esta reducción específica sirve como fuente de energía principal para alimentar las operaciones básicas tanto del MCU principal como del MCU del BMS. La integración estratégica de un regulador LDO dentro del circuito del microcontrolador permite una mejor regulación del voltaje, una reducción significativa del ruido, una arquitectura de diseño optimizada, una eficiencia operativa superior y un elevado nivel de fiabilidad. Además, el ADP165 consume menos de 15 μW de potencia, lo que contribuye significativamente al ahorro de energía y, por consiguiente, a la duración de la batería.
Por último, para alimentar el voltaje de suministro analógico y USB, así como algunos otros voltajes básicos, se utiliza el MAX38911, con su precisa reducción del voltaje de suministro de 3,3 V a 1,8 V. Este regulador LDO puede suministrar hasta 500 mA de corriente de carga, suficiente para proporcionar la corriente de carga necesaria para los microcontroladores. El convertidor de potencia consume alrededor de 19,2 μA de corriente de alimentación en modo de bajo consumo, lo que lo hace adecuado para el funcionamiento en modo de suspensión.
No se puede subestimar la importancia de una gestión térmica eficaz para mantener un rendimiento óptimo constante, dada la notable eficiencia de la fuente de alimentación auxiliar, que alcanza un 94 % durante la carga o descarga y un 62 % en modo de reposo. La importancia de seleccionar el mejor dispositivo para el circuito auxiliar va más allá de la funcionalidad ordinaria, ya que constituye la base de la integridad del diseño en todo el espectro operativo de la BBU. Esta opción estratégica permite predecir el consumo total de energía y calcular la vida útil estimada de la batería. Además, ofrece posibilidades rentables para mejorar el rendimiento del auxiliar, lo que culmina en una mejora general de la eficiencia de la unidad.1
Resumen
En este último artículo de la serie, la alimentación auxiliar se presenta como un componente crucial de las BBU que coordina diversas funciones importantes. Su función conlleva una serie de responsabilidades clave, todas ellas fundamentales para el funcionamiento fluido, fiable y seguro de estas unidades. Como escudo de la energía de reserva, la energía auxiliar ajusta los niveles de voltaje, gestiona la alimentación del ventilador para la refrigeración térmica, implementa medidas de protección y realiza autocomprobaciones de encendido. Esta sofisticada interacción de operaciones converge para proporcionar un suministro de energía ininterrumpido, proteger nuestros dispositivos y prolongar la vitalidad general del sistema.
La alimentación auxiliar es crucial para proporcionar una alimentación fiable y complementaria a nuestros dispositivos analógicos y digitales. Los avances en la tecnología de alimentación auxiliar mejoran constantemente la eficiencia, reducen las pérdidas de energía y aumentan la seguridad de las fuentes de alimentación (PSU) y las unidades de batería (BBU) de los centros de datos, impulsando la innovación a nuevas cotas. Este progreso continuo es una respuesta inquebrantable a las crecientes demandas de energía generadas por nuestro mundo tecnológico en constante cambio, que influye tanto en nuestro presente como en el futuro electrificado.
Cada entrega de esta serie de artículos sirve como recurso completo, impartiendo orientación precisa y proporcionando ayuda a los ingenieros de diseño y aplicación con los conocimientos necesarios para construir una solución más inteligente, fiable y rentable basada en las sofisticadas especificaciones proporcionadas por la BBU OCP ORV3. Esto se logra proporcionando un meticuloso proceso de selección de piezas, directrices preparadas, metodologías de ingeniería y recomendaciones de procedimiento.
Referencias
1 David Sun. «Open Compute Project Open Rack V3 48 BBU Rev: 1.3». Open Compute Project, noviembre de 2022.
Acerca del autor
Christian Cruz es ingeniero de desarrollo de aplicaciones en Analog Devices, Inc., Filipinas. Es licenciado en Ingeniería Electrónica por la Universidad del Este de Manila, Filipinas. Cuenta con 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, lo que incluye el desarrollo de circuitos integrados de gestión de potencia, así como la conversión de potencia de CA a CC y de CC a CC. Se incorporó a ADI en 2020 y actualmente se encarga de los requisitos de gestión de potencia para aplicaciones de computación en la nube y comunicaciones de sistemas.
Acerca del autor
Ralph Clarenz Matociños se graduó con una licenciatura en ingeniería electrónica en la Pamantasan ng Lungsod ng Maynila (PLM) de Manila, Filipinas. Cuenta con más de un año de experiencia en ingeniería y conocimientos especializados en diseño analógico y digital, así como en electrónica de potencia, incluido el desarrollo de circuitos integrados para sistemas de gestión de baterías y la conversión de potencia de CC a CC.
