Die neuen Anforderungen an Schaltnetzteile

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Starker Anstieg der Leistungsdichte

Ein wichtiger Parameter, um die Server-Effizienz in einem Rechenzentrum zu quantifizieren sind die Gesamtkosten, also die Kosten für Unterhalt und Betrieb der Server. Die Gesamtkosten setzen sich aus den Gerätekosten und den Betriebskosten und im Wesentlichen den Energiekosten zusammen.

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Angesichts stetig fallender Preise für das IT-Equipment wurden die Energiekosten immer mehr zu einem signifikantem Anteil der Gesamtkosten, insbesondere für Low-End-Geräte wie Blade-, 1-U- und 2-U-Server. Hier übertreffen die Kosten für die Stromversorgung und Kühlung bereits nach drei Jahren die Anschaffungskosten der Geräte. Als eine Reaktion auf die steigende Bedeutung der Energiepreise an den Gesamtkosten, kommt der Energieeffizienz bei der Geräteauswahl eine immer größere Bedeutung zu, und das beginnt bei der Wahl der Schaltnetzteile.

Darüber hinaus hat der steigende Energiebedarf von IT-Geräten, insbesondere stark wachsender Datenzentren, auch einen wichtigen Einfluss auf die Umwelt in Form von CO₂-Emissionen.

Eine weitere wichtige Komponente, die die Gesamtkosten beeinflusst, ist die Zuverlässigkeit der Bauelemente. Und auch die Wartbarkeit der Server ist von Bedeutung, weil sie mit Zeitaufwand, Reparaturkosten und Upgrades einhergeht. Dabei haben die Größe und das Gewicht der Komponenten, insbesondere der Stromversorgung, Einfluss auf die genannten Parameter.

Bis zum Beginn des Internet-Booms war bei der Leistungsdichte von Schaltnetzeilen keine nennenswerte Steigerung zu verzeichnen. So lag die typische Leistungsdichte für Frontend-SMPS vor etwa 10 Jahren noch im Bereich von 10 W/Zoll³, während heute bereits Leistungsdichten von etwa 40 W/Zoll³ erforderlich sind. Als Fortsetzung dieses Trends werden in einigen Jahren Schaltnetzteile mit ca. 50 W/Zoll³ gängig sein. Dieser signifikante Anstieg in der Leistungsdichte wurde primär durch die Verfügbarkeit von verbesserten Bauelementen (sowohl Halbleiter als auch magnetischer Komponenten), modernen Gehäuse-Technologien aber auch durch Design-Optimierungen und die konsequente Anwendung von modernen Regelungs-Schemata möglich.

Künftig dürften System-Architektur und Power Management wesentlich zur weiteren Erhöhung der Effizienz und der Leistungsdichte beitragen. Aus diesem Grund wurde unter anderem der digitale Power-Management-Bus vom PMBus Consortium standardisiert. Neben der Kompatibilität zum PMBus werden digitale Regelungstechniken immer wichtiger für die Leistungsumsetzung.

Während digitales Power-Management die Performance auf Systemebene steigern kann, lässt sich mit digitaler Regelung der Wirkungsgrad auf Konverter-Ebene über den gesamten Lastbereich optimieren. Das geschieht durch die Implementierung adaptiver, lastabhängiger Regelungs-Algorithmen oder Phase Shedding in Verschachtelungsstrukturen (Interleaved), um möglichst flache Effizienz-Verläufe zu erhalten. Außerdem werden bei der digitalen Regelung Monitoring-, Schutz und wirtschaftliche (House-keeping) Eigenschaften von der Hardware auf die Software verlagert. Damit können die Entwicklungszeiten signifikant verkürzt und die Kosten gesenkt werden. Zudem ist eine einfache Anpassung der Parameter möglich, auch noch in der Serienfertigung.

Betrachtet man die Schaltungstopologien innerhalb eines Schaltnetzteiles, dann besteht die Möglichkeit die Größe des Leistungsumsetzers deutlich zu verringern, indem man die Schaltfrequenz mittels der MOSFET-Technologie erhöht. Daher hat man sich auf Topologien fokussiert, die die Schaltverluste der Halbleiter-Bausteine reduzieren, die typischerweise als das wesentliche Hindernis bei der Maximierung der Schaltfrequenz von PWM-Konvertern anzusehen sind. Dies führte zu einer starken Gewichtung der resonanten Leistungsumsetzung, die wiederum zur Entwicklung neuerer Familien resonanter Konverter auf Basis von ZVS (Zero Voltage Switching), ZCS (Zero Current Switching) oder quasiresonanter (QR) und multi-resonanter Konzepte führte.

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