Power-Tipp Integrierter 48-V-Hot-Swap-Baustein für KI-Rechenzentren

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Texas Instruments

ET System electronic GmbH

MES Electronic Connect GmbH & Co. KG

Schneider Electric GmbH

Der zunehmende Leistungsbedarf moderner Rechenzentren insbesondere für KI-Anwendungen hat zur Folge, dass die zugehörigen Stromversorgungen immer größer, komplexer und ineffizienter werden. Traditionelle Hot-Swap-Controller mit diskreten FETs stoßen hier schnell an ihre Grenzen. Eine Alternative sind die 48 V Hot-Swap eFuse-Bausteine TPS1689 und TPS1685, die die Lösungsabmessungen um bis zu 50 Prozent reduzieren.

Im Gegensatz zu Ansätzen, die externe Messwiderstände und Strommessverstärker für die Stromüberwachung erfordern, sind bei den Hot-Swap eFuse-Bausteinen diese Funktionen bereits integriert.

Eine Besonderheit des TPS1689 ist der eingebaute Blanking Timer. Dieser unterscheidet zwischen betriebsbedingten kurzen Stromspitzen und echten Fehlern, wodurch die Systemzuverlässigkeit verbessert und unnötige Abschaltungen vermieden werden können.

Eine integrierte Blackbox zur Fehleraufzeichnung, ein garantierter sicherer Betriebsbereich für den FET, aktives Current Sharing und eine Zustandsüberwachung kommen der Systemresilienz zusätzlich zugute, und bei größerem Strombedarf können mehrere Bausteine miteinander kombiniert werden.

Wie aus Bild 1 hervorgeht, wählt der Blanking Timer einen optimalen Mittelweg zwischen bestmöglichem Systemschutz und größter Leistungsfähigkeit. Bei kurzzeitigen Lastspitzen, wie sie bei KI-Anwendungen, GPUs oder prozessorintensiven Anwendungen häufig vorkommen, spricht die Schutzfunktion nicht an, während das eFuse-Element eine sofortige Abschaltung veranlasst, sobald die Überströme länger anhalten.

Der Blanking Timer bietet mehrere Vorteile. Eine Kostenoptimierung ergibt sich daraus, dass Stromversorgungen nicht mehr überdimensioniert und weniger eFuse-Elemente parallelgeschaltet werden müssen, ohne dass dies zulasten der Zuverlässigkeit geht. Die Leistungsdichte nimmt zu, weil Anzahl und Größe der für hohe Stromstärken auszulegenden Bauelemente geringer werden. Zudem wird Leiterplattenfläche eingespart und das Wärmemanagement wird einfacher. Flexibel ist diese Lösung ebenfalls. Die Ansprechschwelle des Überstromschutzes kann beispielsweise auf das 1,1-Fache des thermisch erlaubten Stroms eingestellt werden, anstatt auf die maximalen Lastspitzen (meist das 1,7-Fache).

Unterschiedliche R_DS(on)-Werte, Leiterbahnwiderstände und Komparator-Ansprechschwellen (Bild 2) führten beim Parallelschalten von eFuse-Elementen bislang stets zu einer ungleichen Stromverteilung, wodurch einzelne eFuses vorzeitig ansprachen, auch wenn der Gesamtstrom noch unter dem Grenzwert lag. Derartige Fehlauslösungen können zu unnötigen Ausfallzeiten, eingeschränkter Zuverlässigkeit und reduzierter betrieblicher Effizienz führen. Als Abhilfe gegen dieses Problem nutzt TI bei seinen eFuses miteinander verbundene IMON-Pins. Eines der eFuse-Elemente dient hierbei als primärer Controller und überwacht den Gesamtstrom des Systems, wodurch Fehlauslösungen infolge unterschiedlicher Stromweg-Eigenschaften vermieden werden und das System insgesamt an Zuverlässigkeit gewinnt.

Das aktive Current Sharing trägt ebenfalls zur effizienten Stromaufteilung bei, indem die R_DS(on)-Werte der einzelnen FETs dynamisch angepasst werden. Fließt durch ein eFuse-Element ein überproportional höherer Strom, wird der betreffende R_DS(on)-Wert geringfügig angehoben, um eine gleichmäßigere Stromaufteilung zu erreichen, die thermische Belastung der einzelnen eFuses zu verringern und die Zuverlässigkeit des Systems über längere Zeiträume zu verbessern. Die Platzierung des aktiven Current Sharings nahe der Ansprechschwelle des Überstromschutzes stellt sicher, dass es nur bei Bedarf wirksam wird und Verluste bei niedrigeren Stromstärken vermieden werden. Durch das Aktivieren des aktiven Current Sharings am optimalen Grenzwert wird also erreicht, dass sich die thermische Belastung während des Betriebs mit hohen Stromstärken optimal verteilt, was der Langzeitzuverlässigkeit zugutekommt. (kr)

Nach Unterlagen von Texas Instruments.

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