Mit dem wachsenden Druck, die Stromversorgung, Größe, Geschwindigkeit und Kosten in modernen Elektroniksystemen effizienter zu gestalten, hat sich die Architektur von heutigen Stromversorgungsvorrichtungen von einer ineffizienten Centralized-Power-Architektur (CPA) in eine kompakte, hocheffiziente Distributed-Power-Architektur (DPA) und Intermediate-Bus-Architektur (IBA) gewandelt. Im älteren CPA-Schema wurde sämtliche Systemspannungen zentral erzeugt und dann über Verteilungsbusse an die Last verteilt (Abbildung 1).
Dies ist dann effektiv, wenn die Spannungen hoch und die Ströme niedrig bzw. die Entfernungen zwischen der Stromversorgung und den Lasten gering sind. Die heutigen Systeme haben jedoch andere Anforderungen. Bestückt mit modernen Mikroprozessoren, Speichermodulen, DSPs und ASCIs benötigen sie mehrere niedrige Spannungen mit hohen Strömen. Zudem werden die Lasten mit niedrigen Spannungen auf den Systemplatten verteilt. Daher sind bei einer CPA die Verteilungsverluste höher und die allgemeine Systemeffizient ist geringer, was die Kosten für das Wärmemanagement erhöht und die Zuverlässigkeit der Komponenten mindert.
Abbildung 1: In zentralisierten Stromarchitekturen werden alle Spannungen in einem Gehäuse erzeugt, und jede einzelne Spannung wird separat über Busse an die Last verteilt. (Quelle: Vicor)
Um die Grenzen von CPAs aufzuheben, wurde in den frühen 80er Jahren des vergangenen Jahrhunderts die DPA eingeführt, um die Leistung zu dezentralisieren und die Verteilungsverluste zu reduzieren. Bei einer DP-Architektur erzeugt der vordere Wandler eine feste Gleichstrom-Busspannung, beispielsweise 48 VGleichstrom. Die meisten Rechenzentren und Telekommunikationsanlagen arbeiten mit 48 VGleichstrom-Busspannung, um eine Serie von isolierten Gleichstrom-Abwärtsreglern am Lastpunkt (POL) mit Strom zu versorgen. Die POL-Wandler erzeugen dann die benötigten niedrigen Spannungen bei hohem Ausgangsstrom, um die erforderlichen Lasten anzutreiben (Abbildung 2).
Abbildung 2: In einer traditionellen DPA treibt eine Gleichstrom-Busspannung, beispielsweise 48 VGleichstrom, eine Serie von Lastpunkt-isolierten Abwärtswandlern an, die dann die benötigten niedrigen Spannungen bei hohem Ausgangsstrom erzeugen, um die erforderlichen Lasten anzutreiben.
Der Wirkungsgrad und die Leistungsdichte von in DPA-Schemata verwendeten isolierten Gleichstromwandlern ist hoch (typischerweise über 90 Prozent). Mit der Einführung von Nanometerprozessen jedoch sind die Spannungen für die aktuellen Halbleitergeräte wie DSPs, Speicher und ASICs weiter auf 1 V und weniger gesunken, während die Stromanforderungen gestiegen sind. Zudem erfordern diese neuesten integrierten Schaltkreise ein schnelleres Einschwingverhalten von den Gleichstromwandlern der DPA. Dadurch ist das Abwärtsregelungsverhältnis für diese POL-Gleichstromwandler gestiegen, was eine Erhöhung der Verluste nach sich gezogen hat, welche wiederum den Wirkungsgrad dieser Wandler mindert.
Um die Vielzahl der niedrigen Spannungen und hohen Ströme an POLs auf den Systemplatten in den Griff zu bekommen, wurden kostengünstigere und effizientere Wandler mit einem schnelleren Einschwingverhalten als Zwischenbusspannungen eingeführt. Dieses Schema wird als Intermediate-Bus-Architektur (IBA) bezeichnet. Seit über einem Jahrzehnt nach ihrer Einführung stellt die IBA einen weiteren Gleichstromwandler-Schritt in der traditionellen DP-Architektur dar (Abbildung 3). Infolgedessen wird die 48-V-Gleichstrom-Busspannung nun abwärts auf eine Zwischenspannung von 9,6 bzw. 12 V geregelt. Ein solcher isolierter Gleichstrom-Zwischenwandler, auch Intermediate-Bus-Wandler (IBC) genannt, dient dazu, nicht isolierte POL-Abwärtsregler (niPOL-Abwärtsregler) anzutreiben und die POL-Funktion auf die Regelung und Umwandlung zu reduzieren.
Abbildung 3: Die Intermediate-Bus-Architektur (IBA) umfasst im traditionellen DPA-Schema einen weiteren isolierten Gleichstromwandler, den Intermediate-Bus-Wandler (IBC), der nicht isolierte POL-Abwärtsregler (niPOL-Abwärtsregler) antreibt, um eine geregelte Spannung für die Last zu erzeugen.
Einige Stromversorgungsunternehmen bieten hocheffiziente IB-Wandler mit hoher Dichte an, um die IB-Architektur zu ermöglichen. Zu diesen Unternehmen zählen u. a. Bel Power Solutions, GE Critical Power und Vicor. Bel Power bietet beispielsweise den vollständig geregelten 420-W-Buswandler QME48T35120-NJBBGGE im Quarter-Brick-Format mit einem 12-V-Gleichstrom-Ausgang bei 35 A bei typischen 48 VGleichstrom-Eingang. Höchster Wirkungsgradwert bei halber Last liegt bei ca. 96 Prozent. GE Critical Power ist ein weiterer großer Lieferant im Rennen. Der vollständig geregelte 400-W-Buswandler QBVW033A0B Barracuda des Unternehmens ist im DOSA-kompatiblen Quarter-Brick-Format verfügbar. Der Eingangsspannungsbereich dieser Wandlerreihe liegt zwischen 36 und 75 V, und die geregelte Ausgangsspannung beträgt 12 V. Der Wirkungsgrad dieses Wandlers bei halber Last beträgt typischerweise 96,4 Prozent. Für Anwendungen, die eine digitale Regelung erfordern, bietet das Unternehmen den QBDW033A0B Barracuda, einen vollständig geregelten, DOSA-kompatiblen 400-W-Quarter-Brick-Wandler mit PMBus-Schnittstelle. Dieser Wandler ist fürGleichstrom-Zwischenbusspannungen zwischen 9,6 und 12 V und den Antrieb von nicht isolierten POL-Wandlern bestimmt. Die Eingangsspannung variiert zwischen 36 und 75 V Gleichstrom.
Für Systemen, die eine Ausgabeleistung von 300 W oder weniger erfordern, hat GE Critical Power den DOSA-konformen Eighth-Brick-Wandler EBVW025A0B für vollständig geregelte Ausgangsspannungen zwischen 9,6 und 12,0 V entwickelt. Zudem bietet dieser Wandler eine PMBus-Schnittstelle zur digitalen Steuerung.