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Actualmente, la implementación acelerada de aplicaciones de inteligencia artificial ha provocado un aumento significativo en el consumo de energía, impulsando directamente la demanda de alimentación para centros de datos. Según los datos de 2023 de la Agencia Internacional de Energía, el consumo energético de los centros de datos globales representa ahora más del 3 % del consumo mundial de electricidad, y el consumo de potencia pico de un único servidor con GPU A100 ya supera los 10 kW. El considerable aumento en el consumo de energía de los centros de datos ha planteado nuevos retos tanto en la calidad como en la cantidad del suministro eléctrico. Como uno de los componentes importantes en los circuitos de alimentación de centros de datos, la selección de inductores es crucial para la eficiencia de conversión, así como para la estabilidad y fiabilidad operativa de los sistemas de alimentación de centros de datos.
1- Categorías de alimentación eléctrica para centros de datos y tendencias de desarrollo
La energía para centros de datos incluye principalmente fuentes de alimentación para servidores, sistemas de alimentación ininterrumpida (UPS), fuentes de alimentación de corriente continua de alta tensión, fuentes de alimentación distribuidas/fuentes de alimentación modulares, etc.
1.1 Fuente de Alimentación para Servidor
En los servidores de inteligencia artificial, las GPU, CPU y los chips de aceleración AI tienen requisitos extremadamente altos en cuanto a estabilidad y eficiencia de la fuente de alimentación. Los servidores suelen utilizar convertidores DC-DC eficientes para proporcionar una salida de voltaje estable, y los inductores son componentes clave indispensables en estos convertidores DC-DC.
A medida que los presupuestos de potencia de los servidores aumentan mientras el volumen permanece constante, los requisitos de densidad de potencia serán aún más estrictos. Las unidades de fuente de alimentación para servidores (PSU) recientemente desarrolladas han aumentado hasta casi 100 W/in³. En el futuro, la alimentación para servidores evolucionará hacia una mayor densidad de potencia, mayor eficiencia de conversión y una gestión más inteligente, para satisfacer la creciente demanda de capacidad de cómputo. Mejorar la eficiencia del convertidor mediante la evolución de la topología y la tecnología de componentes es la solución para lograr una alta densidad de potencia.
1.2 Fuente de alimentación UPS
Los sistemas de alimentación ininterrumpida (UPS) desempeñan un papel crucial para garantizar el suministro continuo de energía en los centros de datos. Cuando se produce un corte de energía o fluctuaciones de voltaje en la red eléctrica, el UPS puede cambiar instantáneamente al modo de alimentación por batería (suministro ininterrumpido de energía), asegurando que los equipos críticos del centro de datos (como servidores, dispositivos de almacenamiento, equipos de red, etc.) no se vean afectados.
1.3 Fuente de alimentación de corriente continua de alto voltaje
Los sistemas de alimentación HVDC (corriente continua de alta tensión) ofrecen ahorros energéticos significativos en aplicaciones como los centros de datos. Dado que el HVDC elimina la etapa del inversor presente en las UPS (fuentes de alimentación ininterrumpida) tradicionales, la eficiencia de conversión puede superar el 95 %, reduciendo efectivamente el consumo energético de los centros de datos. Según datos relevantes, la eficiencia de la alimentación HVDC es más de un 5 % mayor que la de las soluciones UPS tradicionales. Además, al carecer de inversor, el tiempo medio entre fallos (MTBF) del HVDC es más de un 30 % mayor que el de la UPS. A medida que los centros de datos exigen cada vez más eficiencia energética, reducción de emisiones y fiabilidad, la demanda del mercado de fuentes de alimentación HVDC seguirá creciendo.
1.4 Alimentación DC Modular/Distribuida
Para abordar los desafíos fundamentales de los centros de datos en términos de alta confiabilidad, escalabilidad flexible, optimización de eficiencia energética y eficiencia operativa en sistemas de alimentación, los servidores de centros de datos también adoptan sistemas de alimentación distribuidos con diseño modular. Las fuentes de alimentación modulares no solo se adaptan dinámicamente a las demandas de capacidad de procesamiento, sino que también logran el aislamiento de fallos mediante arquitecturas redundantes, mejorando así la confiabilidad del sistema. Además, pueden ajustar dinámicamente la cantidad de módulos en línea según la carga real para mejorar la eficiencia operativa.
Diagrama esquemático de aplicación para centros de datos
2- Requisitos de inductores para sistemas de alimentación de centros de datos
En los sistemas de alimentación de centros de datos, los inductores cumplen funciones fundamentales y desempeñan un papel significativo. Utilizando el principio de inducción electromagnética, evitan fluctuaciones de corriente, estabilizan la salida de corriente y tienen un papel crítico en los procesos de conversión de energía, afectando la eficiencia energética y la estabilidad del sistema eléctrico. Diferentes circuitos de alimentación tienen requisitos variables para los inductores.
En los sistemas de corriente alterna, los inductores se utilizan principalmente en circuitos de corrección del factor de potencia (PFC) y en filtrado de EMI. Los inductores PFC deben soportar corrientes transitorias a altas frecuencias (decenas de kHz hasta MHz) para evitar la saturación del núcleo. Estos inductores emplean materiales de núcleo compuesto metálico, que presentan características eléctricas como alta corriente de saturación, bajas pérdidas en el núcleo y alta estabilidad térmica. Los inductores aplicados al filtrado de EMI deben tener capacidades de supresión de ruido de alta frecuencia; los inductores de modo común deben suprimir ruido en el rango de MHz, además de adoptar un diseño de baja fuga magnética para reducir las interferencias con circuitos sensibles.
El sistema de corriente continua incluye dos escenarios: uno es el sistema HVDC (corriente continua de alto voltaje), con un voltaje típico de 240 V en el contexto doméstico actual. El otro es la alimentación distribuida en corriente continua (como la alimentación directa de 48 V). La corriente continua de alto voltaje requiere inductores con características de alta frecuencia, con frecuencias de conmutación del orden de MHz, utilizando núcleos magnéticos de baja pérdida para soportar una conversión CC-CC eficiente. Los inductores deben diseñarse con aislamiento para alto voltaje para evitar el riesgo de ruptura por alto voltaje. Los inductores deben tener la capacidad de conducir altas corrientes y mantener una baja elevación de temperatura bajo condiciones de trabajo continuo con alta corriente. Al mismo tiempo, los inductores deben cumplir con la demanda de baja capacitancia parásita para reducir los problemas de resonancia de alta frecuencia. Para la alimentación distribuida en corriente continua, se requiere que los inductores tengan un tamaño pequeño, alta densidad de potencia y baja DCR para reducir las pérdidas totales.
Los inductores en los sistemas de UPS se utilizan principalmente para el filtrado de salida del inversor y en los circuitos de gestión de carga/descarga de baterías. El filtrado de salida del inversor requiere que los inductores adopten un diseño compacto con alta densidad de potencia, capaz de manejar corrientes superiores a 100 A en espacios limitados, cumpliendo al mismo tiempo con los requisitos de baja distorsión armónica. El efecto de filtrado puede optimizarse mediante el uso de núcleos de ferrita combinados con diseños de devanado multicapa. Los inductores aplicados en fuentes de alimentación UPS también deben soportar corrientes pulsadas y presentar características anti-saturación durante las transiciones de carga/descarga de la batería; por ello, se requieren inductores compactos con alta corriente de saturación para los sistemas UPS.
Los sistemas de potencia modulares y distribuidos requieren inductores que cumplan con requisitos estandarizados y de diseño intercambiable en caliente (hot-swap), con parámetros de inductor estrictamente consistentes, capaces de adaptarse a la disipación de calor en espacios cerrados, y un rango de temperatura operativa ampliado de -40°C a +125°C. Además de los inductores tradicionales de alta corriente e inductores integrales, el uso de la tecnología TLVR puede mejorar la capacidad de respuesta transitoria de los inductores.
Arquitectura de alimentación para centros de datos y características técnicas (basado en datos en línea)
3- Tendencias de demanda de inductores de potencia para centros de datos
Con la tendencia hacia un mayor poder computacional, mayor densidad de potencia, frecuencias más altas y una mayor integración en los equipos de centros de datos, los inductores están mostrando las siguientes tendencias de desarrollo:
① Alta densidad de potencia. El creciente poder de la hardware de computación en centros de datos de IA incrementa la demanda sobre los inductores. Los inductores deben ser capaces de manejar mayor potencia dentro del espacio limitado de los equipos de fuente de alimentación de servidores y también deben ofrecer una mejor resistencia a altas temperaturas.
② Alta frecuencia y baja pérdida. Las fuentes de alimentación (PSU) de los centros de datos están utilizando cada vez más dispositivos semiconductores de banda ancha como GaN y SiC. Se requiere que los inductores soporten estos dispositivos de alta frecuencia, reduciendo al mismo tiempo las pérdidas en el núcleo y mejorando la eficiencia de conversión del sistema.
③ Miniaturización e integración. En los centros de datos de IA, los servidores y las tarjetas aceleradoras de IA están integrando cada vez más unidades de procesamiento dentro de un espacio limitado, lo que exige la miniaturización de componentes, incluidos los inductores. Esto requiere tanto una reducción de tamaño como un aumento en la densidad de potencia.
④ Alta fiabilidad. Los sistemas de alimentación de centros de datos operan continuamente, y no se toleran cortes de energía ni tiempos de inactividad. Además de adoptar diseños redundantes y fuentes de alimentación de respaldo, la confiabilidad y la estabilidad térmica de los componentes son extremadamente altas, y las bobinas seleccionadas también deben poseer una alta fiabilidad.
4-Codaca Las bobinas ayudan a mejorar la eficiencia de la fuente de alimentación en centros de datos
Como proveedor líder en la industria de tecnología de componentes magnéticos, Codaca se especializa en la personalización de soluciones de productos inductivos. Las bobinas desarrolladas independientemente por Codaca se utilizan ampliamente en servidores de inteligencia artificial, fuentes de alimentación para centros de datos y equipos de comunicaciones.
Para cumplir con los requisitos de alto rendimiento de los componentes electrónicos en fuentes de alimentación para centros de datos, Codaca ha desarrollado independientemente diversas líneas de productos, incluyendo inductores de alta saturación y alta corriente, inductores moldeados integrados ligeros y de baja pérdida, inductores de potencia montados en superficie adecuados para montaje de alta densidad, inductores de potencia de baja inductancia e inductores de alta frecuencia y alta corriente. Los inductores Codaca ofrecen una corriente de saturación de hasta 350 A, una eficiencia de conversión de energía de hasta el 98 % y una temperatura de operación de hasta 165 °C. Estos productos están certificados según AEC-Q200 y son adecuados para su uso en entornos operativos complejos y severos.
Basándose en capacidades profesionales de diseño de inductores y en sólidas capacidades de fabricación y pruebas de productos, Codaca ofrece una amplia gama de inductores de baja pérdida, alta eficiencia y alta confiabilidad para fuentes de alimentación de servidores, fuentes de alimentación de UPS, etc., ayudando a mejorar la eficiencia general de las fuentes de alimentación en centros de datos.
Los modelos de inductores recomendados para sistemas de alimentación de centros de datos son los siguientes:
Inductores de potencia de alta corriente de Codaca como CPEX /CPEA /Asociación de Abogados de la Ciudad de Nueva York /CSBX /CSCF /CSCM /CSCE , que presentan alta corriente de saturación, baja resistencia DC, amplio rango de frecuencia de aplicación y amplio rango de temperatura operativa, cumplen con las exigencias de los sistemas de alimentación de centros de datos en cuanto a alta corriente de operación, baja pérdida a alta frecuencia y alta densidad de potencia.
Inductores de potencia moldeados como CSAB /CSAG /CSHB /CSEB , con estructura moldeada de blindaje completo, fuerte rendimiento anti-EMI, baja resistencia DC, alta corriente y bajas pérdidas en el núcleo, cumplen con los requisitos de los sistemas de alimentación de centros de datos en cuanto a tamaño pequeño del inductor, alta corriente y rendimiento anti-EMI.
Inductores de potencia SMD como SPRH /CSUS /CRHSM /SPQ /SPD /SPBL , que cuentan con una estructura magnética blindada, fuerte rendimiento anti-EMI, tamaño reducido y adecuados para montaje de alta densidad.
Inductores de potencia de baja inductancia serie CSHN están diseñados para la alimentación de potencia de GPU. El inductor CSHN, desarrollado independientemente por Codaca específicamente para fuentes de alimentación de servidores, presenta una estructura completamente blindada, fuerte resistencia a interferencias electromagnéticas (EMI) y excelente capacidad de polarización de corriente continua (DC bias). Nuestra serie de inductores de alta frecuencia y alta corriente está diseñada específicamente para aplicaciones de alimentación de alta corriente, ofreciendo un alto almacenamiento de energía, resistencia DC ultra baja y un tamaño compacto, lo que la hace adecuada para VRMs y reguladores reductores multiphase.
Además, los inductores Codaca se utilizan ampliamente en conmutadores, enrutadores, sistemas de almacenamiento y sistemas de monitoreo de centros de datos, incluyendo inductores de alta corriente, inductores integrales, inductores comunes/superficiales montados en superficie y más, todos los cuales pueden personalizarse flexiblemente según las necesidades del cliente. Para más detalles, por favor contacte al departamento de ventas de Codaca o visite el sitio web de Codaca.