EN
БЫСТРЫЕ ССЫЛКИ
С быстрым расширением крупных моделей искусственного интеллекта и масштабов вычислительных кластеров центры обработки данных ИИ предъявляют жёсткие требования к производительности и надёжности систем резервного питания и накопления энергии на основе литий-ионных аккумуляторов. В качестве центрального узла управления резервным источником питания на основе литиевых элементов система управления аккумуляторами (BMS) выполняет ключевые функции: мониторинг состояния элементов, защиту при зарядке/разрядке, балансировку элементов, сигнализацию неисправностей и управление безопасностью. Следовательно, надёжность её внутренних компонентов напрямую определяет бесперебойное электропитание и эксплуатационную безопасность вычислительной инфраструктуры. Опираясь на собственные разработки магнитных сердечниковых материалов и 25-летний технический опыт в индукторной отрасли, Codaca представила специальную серию силовых дросселей, разработанных специально для систем управления батареями резервного питания (BMS) в центрах обработки данных искусственного интеллекта. Эти компоненты напрямую решают ключевые инженерные задачи — такие как двунаправленные высокотоковые импульсы, высокочастотные пульсации, непрерывная круглогодичная эксплуатация и резкие колебания температуры окружающей среды в условиях центров обработки данных, обеспечивая таким образом магнитные решения с высокой надёжностью для архитектур накопления энергии и резервного электропитания в центрах обработки данных ИИ.
1. Новые прикладные вызовы для систем управления батареями резервного питания в центрах обработки данных ИИ
Нагрузки вычислительных GPU-серверов на базе искусственного интеллекта характеризуются миллисекундными резкими колебаниями, при этом мгновенные всплески мощности достигают нескольких кратностей по сравнению с установившейся нагрузкой. Использование исключительно традиционных централизованных архитектур ИБП экономически и эксплуатационно неэффективно для адаптации к таким динамическим характеристикам нагрузки. В результате решения на основе резервных аккумуляторных блоков (BBU) с литий-ионными батареями стали основной технической архитектурой для вновь строящихся центров обработки данных на базе искусственного интеллекта (AIDC). Как ключевой элемент обеспечения безопасности литий-ионного резервного источника питания, система управления батареей (BMS) широко использует силовые и сигнальные дроссели во внутренних модулях преобразования постоянного тока (DC-DC), активных цепях балансировки элементов и сетях фильтрации сигналов. Дефекты характеристик дросселей или отказы компонентов могут напрямую вызывать аномалии питания BMS, сбои в работе цепей балансировки элементов и ошибки оценки уровня заряда (SOC). В экстремальных условиях эксплуатации эти проблемы способны спровоцировать аварийное отключение батареи в рамках защитных функций, что в конечном итоге приводит к отключению серверов и перерыву в предоставлении вычислительных услуг.
По сравнению с обычными промышленными системами управления аккумуляторными батареями (BMS) резервные BMS для центров обработки данных на базе искусственного интеллекта имеют несколько уникальных проблем проектирования:
(1) Двунаправленные кратковременные импульсы высокого тока: Системы резервного электропитания должны обеспечивать высокую выходную мощность в течение коротких промежутков времени и поддерживать сглаживание пиковых нагрузок. При резких переходных процессах нагрузки с высоким значением di/dt индуктивные элементы должны выдерживать большие амплитуды импульсных токов и высокие пиковые всплески. При насыщении магнитного сердечника может произойти отказ источника питания BMS и ложные срабатывания защитных отключений.
(2) Непрерывная эксплуатация в течение всего года: Поскольку центры обработки данных функционируют в течение 8–10 лет, индуктивные элементы источников питания работают при постоянной нагрузке на протяжении всего срока службы. Это предъявляет жёсткие требования к потерям в медном проводнике (DCR), потерям в магнитном сердечнике и стабильности теплового подъёма в долгосрочной перспективе; допускается полное отсутствие дрейфа характеристик или теплового отказа, вызванных старением.
(3) Сильные электромагнитные помехи в условиях высокой плотности серверных стоек: В шкафах серверов высокой плотности размещается большое количество импульсных источников питания на основе карбида кремния (SiC) и нитрида галлия (GaN), которые генерируют интенсивные высокочастотные переключающие шумы. В системе управления батареей (BMS) цепи аналого-цифрового интерфейса (AFE) для выборки сигналов, а также измерения напряжения и тока обрабатывают чрезвычайно чувствительные сигналы. Утечка магнитного потока от неэкранированных или плохо экранированных дросселей может вызывать помехи в этих цепях выборки, что приводит к погрешностям расчётов степени заряда (SOC) и степени износа (SOH) и, в конечном счёте, угрожает безопасности аккумулятора.
(4) Работа в условиях широкого диапазона температур на борту: На печатных платах (PCB) систем управления батареей (BMS) часто возникают локальные тепловые «горячие точки», поэтому компоненты, установленные на плате, должны сохранять стабильные электрические параметры в широком температурном диапазоне от −40 °C до +125 °C. Критически важно, чтобы силовые дроссели демонстрировали минимальное снижение тока насыщения при повышенных рабочих температурах, обеспечивая надёжную работу схем.
(5) Компоновка оборудования с высокой удельной мощностью: Место для серверных стоек ограничено, что стимулирует постоянное повышение плотности интеграции плат контроллеров BMS. В результате силовые дроссели должны сочетать высокую пропускную способность по току с миниатюрным поверхностным монтажом, одновременно соответствовать строгим стандартам механической устойчивости и вибрационной стойкости на уровне печатных плат.
2. Ключевая роль дросселей в резервных системах BMS для центров обработки данных на базе ИИ
В архитектурах резервных систем BMS на основе литиевых аккумуляторов для центров обработки данных на базе ИИ силовые дроссели применяются преимущественно на этапах преобразования мощности, в цепях балансировки элементов и в подсхемах фильтрации сигналов. Эксплуатационная стабильность каждого из этих этапов напрямую влияет на общую надёжность и безопасность резервной системы питания.
(1) Основная схема преобразования постоянного тока
Микроконтроллер главной платы BMS, интегральные схемы аналогового интерфейса (AFE), операционные усилители выборки и приёмопередатчики интерфейса связи работают от нескольких стабильных низковольтных источников питания, получаемых из напряжения основной аккумуляторной шины посредством понижающе-повышающих преобразователей постоянного тока. В качестве ключевых компонентов накопления и фильтрации энергии силовые дроссели обеспечивают чистые и стабильные источники питания для управляющих устройств BMS. При насыщении дросселя или аномальных потерях мощности может нарушиться стабильность основного источника питания BMS, что приведёт к прямой потере критически важных функций мониторинга и защиты аккумулятора.
(2) Цепь активного балансирования
Из-за большого количества элементов в модулях резервных аккумуляторов с ИИ согласованность параметров элементов постепенно ухудшается при длительной эксплуатации в циклах заряда и разряда. Активные балансировочные топологии на основе индуктивностей используют накопительные индуктивности для передачи энергии между отдельными элементами аккумулятора. Стабильность параметров таких индуктивностей напрямую определяет эффективность и точность балансировки, обеспечивая полное использование ёмкости всего аккумуляторного блока, снижая риски перезаряда и переразряда элементов, а также увеличивая общий срок службы аккумуляторов для накопления энергии. Распространённые активные топологии балансировки элементов включают прямые схемы на основе трансформаторов (двунаправленные обратноходовые преобразователи), коммутационные матрицы с трансформаторными архитектурами и неизолированные двунаправленные балансировочные цепи на основе индуктивностей типа buck-boost. В то время как первые две топологии используют трансформаторы для передачи энергии между отдельными элементами, двунаправленная балансировка типа buck-boost основана на стандартных принципах работы преобразователей buck-boost и обеспечивает более простую и прямолинейную аппаратную реализацию. Принцип работы активной балансировки buck-boost заключается в прямой передаче заряда между соседними элементами аккумулятора, а не в перемещении энергии между удалёнными участками блока. Такой подход значительно упрощает сложность балансировочной цепи и одновременно полностью использует параллельную работу нескольких балансировщиков для перераспределения заряда по всей аккумуляторной цепочке.
Рисунок 1. Топология активного балансирования с обратимым понижающе-повышающим преобразователем
Как показано на рисунке 1, один обратимый понижающе-повышающий балансировщик установлен на каждой паре элементов. В режимах понижающего и повышающего балансирования он обеспечивает двунаправленную передачу заряда между двумя соседними элементами, в конечном счёте достигая согласованности ёмкости всех элементов. В режиме понижающего балансирования активный балансировщик передаёт энергию от верхнего элемента к нижнему; в режиме повышающего балансирования — от нижнего элемента к верхнему.
(3) Цепь фильтрации ЭМИ/ЭМС
Основная шина зарядки/разрядки аккумулятора демонстрирует высокочастотные импульсы переключения и кратковременные шумовые всплески. Дифференциальные дроссели в сочетании с конденсаторами образуют LC-фильтрующие сети, подавляющие импульсы тока, вызванные двунаправленным переключением мощности, снижают связывание шума с цепями выборки BMS, защищают точность измерения напряжения и тока, а также минимизируют накопленные ошибки оценки степени заряда (SOC). Для подавления общего режима шума по силовым линиям применяются дроссели общего режима, блокирующие проникновение внешних электромагнитных помех в BMS и одновременно предотвращающие излучение внутреннего коммутационного шума BMS в соседнее оборудование.
3. CODACA предоставляет высоко надёжные дроссели для резервных систем BMS в центрах обработки данных на основе ИИ
Для удовлетворения уникальных эксплуатационных требований систем управления резервными аккумуляторами (BMS) центров обработки данных на основе ИИ компания Codaca оптимизирует свои дроссели по нескольким параметрам: составу магнитопроводящего материала, конструкции обмотки и надёжности. Дроссели разработаны для различных уровней мощности в цепях резервного BMS ИИ и представлены в виде комплексной матрицы проверенных на практике изделий:
(1) Индукторы высокой мощности
Собственные высокотоковые силовые дроссели Codaca оснащены магнитопроводами из низкопотерных материалов и обмотками из плоского провода, что обеспечивает сверхнизкие потери в сердечнике и превосходные характеристики мягкого насыщения. При воздействии мгновенных импульсов высокого тока индуктивность снижается плавно и постепенно, а не резко — это эффективно предотвращает полное насыщение сердечника при внезапных всплесках тока нагрузки. Дроссели характеризуются максимальным током насыщения (Isat) до 422 А и расширенным диапазоном рабочих температур — до 170 °C, что позволяет им выдерживать экстремальные условия эксплуатации с высокими постоянными токовыми нагрузками и повышенным тепловым стрессом. Они обеспечивают низкий рост температуры поверхности при продолжительной работе при высоких токах, что делает их идеально подходящими для широкого спектра топологий цепей BMS.
Рекомендуемые продукты: CSBX /CSBA /CPRX /CPRA /CPEX /CPEA
(2) Литьевые силовые индукторы
Собственные формованные силовые дроссели Codaca используют магнитные сердечники с низкими потерями и передовой процесс горячего прессования, что значительно уменьшает габариты компонентов и потери мощности, одновременно повышая общую надёжность эксплуатации. Благодаря полностью магнитно экранированной конструкции они демонстрируют исключительно низкое просачивание магнитного потока, предотвращая паразитную связь магнитных полей и тем самым исключая помехи в чувствительных сигналах аналогового интерфейса (AFE) для измерения напряжения и тока. Это обеспечивает высокую точность определения SOC и SOH, снижает риск скрытых сбоев системы, вызванных ЭМП, и повышает электромагнитную совместимость (EMC) всего устройства. При максимальной рабочей температуре до 155 °C и пиковой эффективности преобразования мощности до 98 % эти силовые дроссели эффективно повышают надёжность всей системы BMS и максимизируют эффективность преобразования мощности в DC-DC-преобразователях.
Рекомендуемые продукты: CSEG-H /CSEB-H /CSHB /CSAG
Выбирая дроссели синфазных помех, разработанные с высоким импедансом в заданных полосах частот, инженеры могут эффективно подавлять синфазные помехи и снижать влияние электромагнитных помех (EMI) на стабильность работы BMS. Компания Codaca предлагает широкий ассортимент решений на основе дросселей синфазных помех, адаптированных под различные требования заказчиков к применению.
Рекомендуемые продукты: TCAB /CSTP /CRHCM /CSUC
Благодаря росту генеративного искусственного интеллекта системы резервного энергоснабжения центров обработки данных быстро модернизируются и совершенствуются. Как ключевой элемент, обеспечивающий безопасность резервного электропитания, система управления аккумуляторами (BMS) предъявляет всё более высокие требования к плотности мощности, долговременной надёжности и характеристикам подавления электромагнитных помех (EMI) магнитных компонентов. Имея двадцатипятилетний опыт глубокой специализации в области силовых дросселей, Codaca использует инновации в материалах и усовершенствованные производственные процессы для предоставления комплексных решений на основе дросселей, оптимизированных специально для систем BMS в сценариях резервного энергоснабжения центров обработки данных на базе ИИ. Благодаря высоконадёжным силовым магнитным компонентам Codaca обеспечивает стабильную и непрерывную работу глобальной вычислительной инфраструктуры.