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Atualmente, a implementação acelerada de aplicações de IA tem levado a um aumento significativo no consumo de energia, impulsionando diretamente a demanda por alimentação de centros de dados. De acordo com os dados de 2023 da Agência Internacional de Energia, o consumo de energia dos centros de dados globais representa agora mais de 3% do consumo global de eletricidade, e o consumo de potência de pico de um único servidor GPU A100 já ultrapassou 10 kW. O aumento substancial no consumo de energia dos centros de dados tem imposto novos desafios tanto à qualidade quanto à quantidade do fornecimento de energia. Como um dos componentes importantes nos circuitos de alimentação de centros de dados, a seleção de indutores é crucial para a eficiência de conversão e para a estabilidade e confiabilidade operacionais dos sistemas de alimentação de centros de dados.
1- Categorias de Alimentação Elétrica para Centros de Dados e Tendências de Desenvolvimento
A energia do centro de dados inclui principalmente fontes de alimentação de servidores, fontes ininterruptas de energia (UPS), fontes de alimentação CC de alta tensão, fontes de alimentação distribuídas/fontes modulares, etc.
1.1 Fonte de Alimentação de Servidor
Em servidores de IA, GPUs, CPUs e chips de aceleração de IA têm requisitos extremamente altos quanto à estabilidade e eficiência da fonte de alimentação. Os servidores normalmente utilizam conversores CC-CC eficientes para fornecer uma saída de tensão estável, e os indutores são componentes essenciais indispensáveis nos conversores CC-CC.
À medida que o orçamento de energia dos servidores aumenta enquanto o volume permanece constante, os requisitos de densidade de potência se tornarão ainda mais rigorosos. As unidades de fonte de alimentação (PSUs) recentemente desenvolvidas já atingiram quase 100 W/in³. No futuro, a energia dos servidores evoluirá em direção a maior densidade de potência, maior eficiência de conversão e gerenciamento mais inteligente, a fim de atender à crescente demanda por capacidade computacional. Melhorar a eficiência do conversor por meio da evolução da topologia e da tecnologia de componentes é a solução para alcançar alta densidade de potência.
1.2 Fonte de alimentação UPS
Os sistemas de alimentação ininterrupta (UPS) desempenham um papel crucial na garantia de fornecimento contínuo de energia para centros de dados. Quando ocorre uma falha de energia ou flutuações de tensão na rede elétrica, o UPS pode instantaneamente comutar para o modo de alimentação por bateria (fornecimento de energia ininterrupto), assegurando que os equipamentos críticos no centro de dados (como servidores, dispositivos de armazenamento, equipamentos de rede, etc.) não sejam afetados.
1.3 Fonte de Alimentação de Corrente Contínua de Alta Tensão
Os sistemas de alimentação CCAT (corrente contínua de alta tensão) oferecem economias significativas de energia em aplicações como centros de dados. Como a CCAT elimina o estágio do inversor das UPS (fontes ininterruptas de energia) tradicionais, a eficiência de conversão pode ultrapassar 95%, reduzindo efetivamente o consumo de energia nos centros de dados. De acordo com dados relevantes, a eficiência da alimentação CCAT é mais de 5% superior às soluções tradicionais de UPS. Além disso, como a CCAT não possui um inversor, seu tempo médio entre falhas (MTBF) é mais de 30% superior ao da UPS. À medida que os centros de dados continuam exigindo maior eficiência energética, redução de emissões e confiabilidade, a demanda de mercado por fontes de alimentação CCAT continuará crescendo.
1.4 Alimentação CC Modular/Distribuída
Para enfrentar os desafios centrais dos centros de dados em termos de alta confiabilidade, escalabilidade flexível, otimização da eficiência energética e eficiência operacional nos sistemas de energia, os servidores de centros de dados também adotam sistemas de energia distribuídos com design modular. As fontes de alimentação modulares não apenas se adaptam dinamicamente às demandas de processamento, mas também alcançam isolamento de falhas por meio de arquiteturas redundantes, aumentando a confiabilidade do sistema. Além disso, podem ajustar dinamicamente o número de módulos online com base na carga real para melhorar a eficiência operacional.
Diagrama esquemático de aplicação em centro de dados
2- Requisitos de indutor para sistemas de energia em centros de dados
Em sistemas de energia de centros de dados, os indutores atuam como componentes fundamentais com funções significativas. Utilizando o princípio da indução eletromagnética, eles evitam flutuações de corrente, estabilizam a saída de corrente e desempenham um papel crucial nos processos de conversão de energia, afetando a eficiência energética e a estabilidade do sistema elétrico. Diferentes circuitos de potência possuem requisitos variados para indutores.
Em sistemas de corrente alternada, os indutores são utilizados principalmente em circuitos de correção do fator de potência (PFC) e filtragem de EMI. Os indutores PFC devem suportar correntes transitórias em altas frequências (dezenas de kHz a MHz) para evitar a saturação do núcleo. Esses indutores utilizam materiais de núcleo compósito metálico, que apresentam características elétricas como alta corrente de saturação, baixa perda no núcleo e alta estabilidade térmica. Os indutores aplicados à filtragem de EMI precisam ter capacidade de supressão de ruídos de alta frequência; os indutores modo comum devem suprimir ruídos na faixa de MHz, além de adotar um design de baixa fuga magnética para reduzir interferências em circuitos sensíveis.
O sistema de energia CC inclui dois cenários: um é o sistema HVDC (CC de alta tensão), com uma tensão típica de 240V no contexto doméstico atual. O outro é a alimentação CC distribuída (como suprimento direto de 48V). A energia CC de alta tensão exige indutores com características de alta frequência, com frequências de comutação alcançando o nível de MHz, utilizando núcleos magnéticos de baixa perda para suportar conversão CC-CC eficiente. Os indutores precisam ser projetados com isolamento para alta tensão, evitando o risco de ruptura por alta tensão. Os indutores devem ter capacidade de conduzir altas correntes e manter uma baixa elevação de temperatura sob condições contínuas de trabalho com alta corrente. Ao mesmo tempo, os indutores precisam atender à demanda por baixa capacitância parasita, reduzindo problemas de ressonância de alta frequência. Para a alimentação CC distribuída, os indutores devem apresentar pequeno tamanho, alta densidade de potência e baixo DCR para reduzir as perdas totais.
Os indutores em sistemas UPS são usados principalmente para filtragem de saída do inversor e circuitos de gerenciamento de carga/descarga da bateria. A filtragem de saída do inversor exige que os indutores adotem um design compacto com alta densidade de potência, capaz de lidar com correntes acima de 100A em espaços limitados, ao mesmo tempo em que atende aos requisitos de baixa distorção harmônica. O efeito de filtragem pode ser otimizado mediante o uso de núcleos de ferrite combinados com designs de enrolamento multicamada. Os indutores aplicados em fontes de alimentação UPS também devem suportar correntes pulsadas e apresentar características antissaturação durante a carga/descarga transitória da bateria; portanto, são necessários indutores compactos com alta corrente de saturação para sistemas UPS.
Sistemas de energia modulares e distribuídos exigem indutores que atendam aos requisitos padronizados e de design com troca a quente, com parâmetros de indutor estritamente consistentes, capazes de se adaptar à dissipação de calor em espaços fechados, e uma faixa de temperatura operacional estendida de -40°C a +125°C. Além dos tradicionais indutores de alta corrente e indutores integrais, o uso da tecnologia TLVR pode melhorar a capacidade de resposta transitória dos indutores.
Arquitetura e Características Técnicas de Alimentação para Data Centers (Baseado em Dados Online)
3- Tendências da Demanda por Indutores em Data Centers
Com a tendência de aumento da capacidade computacional, maior densidade de potência, frequências mais altas e maior integração nos equipamentos de data centers, os indutores estão apresentando as seguintes tendências de desenvolvimento:
① Alta densidade de potência. O aumento da potência do hardware de computação em centros de dados de IA valoriza os indutores. Os indutores devem ser capazes de suportar maior potência dentro do espaço limitado dos equipamentos de fonte de alimentação de servidores e também devem oferecer melhor resistência a altas temperaturas.
② Alta frequência e baixa perda. As fontes de alimentação de centros de dados estão cada vez mais utilizando dispositivos semicondutores de banda larga, como GaN e SiC. Os indutores precisam suportar esses dispositivos de alta frequência, reduzindo as perdas no núcleo e melhorando a eficiência de conversão do sistema.
③ Miniaturização e integração. Em centros de dados de IA, servidores e placas aceleradoras de IA estão integrando cada vez mais unidades de processamento em espaços limitados, exigindo a miniaturização dos componentes, incluindo indutores. Isso exige redução de tamanho e aumento da densidade de potência.
④ Alta confiabilidade. Os sistemas de energia para centros de dados operam continuamente, e interrupções ou tempo de inatividade não são tolerados. Além de adotar designs redundantes e fontes de energia de backup, a confiabilidade e estabilidade térmica dos componentes são extremamente altas, e os indutores selecionados também devem possuir alta confiabilidade.
4-Codaca Indutores ajudam a melhorar a eficiência da fonte de alimentação em centros de dados
Como fornecedor líder na indústria de tecnologia em componentes magnéticos, a Codaca especializa-se na personalização de soluções de produtos indutivos. Os indutores desenvolvidos independentemente pela Codaca são amplamente utilizados em servidores de IA, fontes de alimentação para centros de dados e equipamentos de comunicação.
Para atender aos requisitos de alto desempenho dos componentes eletrônicos em fontes de alimentação de data centers, a Codaca desenvolveu independentemente diversas linhas de produtos, incluindo indutores de alta saturação e alta corrente, indutores moldados integrados leves e de baixas perdas, indutores de potência SMD adequados para montagem de alta densidade, indutores de potência de baixa indutância e indutores de alta frequência e alta corrente. Os indutores Codaca oferecem uma corrente de saturação de até 350 A, eficiência de conversão de energia de até 98% e temperatura de operação de até 165 °C. Esses produtos são certificados AEC-Q200 e adequados para uso em ambientes operacionais severos e complexos.
Contando com capacidades profissionais de projeto de indutores e fortes capacidades de fabricação e testes de produtos, a Codaca fornece uma ampla gama de indutores de baixas perdas, alta eficiência e alta confiabilidade para fontes de alimentação de servidores, fontes de alimentação de UPS, etc., ajudando a melhorar a eficiência geral das fontes de alimentação de data centers.
Modelos de indutores recomendados para sistemas de energia de data center são os seguintes:
Indutores de potência de alta corrente da Codaca como CPEX /CPEA /CSBA /CSBX /CSCF /CSCM /CSCE , que apresentam alta corrente de saturação, baixa resistência DC, ampla faixa de frequência de aplicação e amplo intervalo de temperatura operacional, atendem às demandas dos sistemas de energia de data center quanto a alta corrente operacional, baixa perda em alta frequência e alta densidade de potência.
Indutores de potência moldados como CSAB /CSAG /CSHB /CSEB , com estrutura moldada totalmente blindada, forte desempenho anti-EMI, baixa resistência DC, alta corrente e baixa perda no núcleo, atendem aos requisitos dos sistemas de energia de data center quanto a tamanho reduzido do indutor, alta corrente e desempenho anti-EMI.
Indutores de potência SMD como SPRH /CSUS /CRHSM /SPQ /SPD /SPBL , que possuem estrutura magnética blindada, forte desempenho anti-EMI, tamanho compacto e adequados para montagem de alta densidade.
Série CSHN de indutores de potência de baixa indutância são projetados para o fornecimento de energia a GPUs. O indutor CSHN, desenvolvido independentemente pela Codaca especificamente para fontes de alimentação de servidores, apresenta uma estrutura totalmente blindada, forte resistência a EMI e excelente capacidade de polarização CC. Nossa série de indutores de alta frequência e alto consumo é projetada especificamente para aplicações de energia de alto consumo, oferecendo alta capacidade de armazenamento de energia, resistência CC ultra baixa e tamanho compacto, tornando-a adequada para VRMs e reguladores buck multiphase.
Além disso, os indutores Codaca são amplamente utilizados em switches, roteadores, sistemas de armazenamento e sistemas de monitoramento de data centers, incluindo indutores de alto consumo, indutores integrais, indutores com modo comum/montagem em superfície e outros, todos os quais podem ser flexivelmente personalizados de acordo com as necessidades dos clientes. Para mais detalhes, entre em contato com a equipe de vendas da Codaca ou visite o site da Codaca.