EN
ШВИДКІ ПОСИЛАННЯ
Зі швидким розширенням великих моделей ШІ та масштабів обчислювальних кластерів центри обробки даних на основі ШІ встановлюють суворі вимоги до продуктивності й надійності систем резервного живлення та накопичення енергії на основі літій-іонних акумуляторів. Як центральний блок керування резервним джерелом живлення на основі літій-іонних акумуляторів, система керування акумуляторами (BMS) виконує ключові функції: моніторинг стану елементів, захист під час заряджання/розряджання, балансування елементів, сповіщення про несправності та управління безпекою. Отже, надійність її внутрішніх компонентів безпосередньо визначає безперервність електроживлення й експлуатаційну безпеку обчислювальної інфраструктури. Використовуючи власні формуляції магнітних сердечників та 25-річний технічний досвід у галузі виробництва дроселів, Codaca представила спеціальну серію потужних дроселів, розроблених спеціально для систем управління акумуляторними батареями (BMS) резервного живлення в центрах обробки даних штучного інтелекту. Ці компоненти безпосередньо вирішують ключові інженерні завдання — такі як двонаправлені високострумові сплески, високочастотні пульсації, безперервна експлуатація протягом усього року та різкі коливання температури навколишнього середовища в умовах центрів обробки даних, забезпечуючи таким чином магнітні рішення з високою надійністю для архітектур зберігання енергії та резервного живлення в центрах обробки даних штучного інтелекту.
1. Нові завдання застосування для систем управління акумуляторними батареями (BMS) резервного живлення в центрах обробки даних штучного інтелекту
Навантаження GPU-серверів штучного інтелекту характеризуються мілісекундними різкими коливаннями, а миттєві стрибки потужності можуть досягати кількох разів більшої величини порівняно зі стаціонарним навантаженням. Використання лише традиційних централізованих архітектур UPS є економічно й експлуатаційно непрактичним для адаптації до таких динамічних характеристик навантаження. Тому рішення на основі літій-іонних резервних акумуляторних блоків (BBU) стали провідною технічною архітектурою для нових центрів обробки даних штучного інтелекту (AIDC). Як ключовий елемент безпеки літій-іонного резервного джерела живлення, система управління акумуляторами (BMS) широко використовує індуктивні елементи живлення та сигналів у внутрішніх модулях перетворення постійної напруги (DC-DC), активних схемах балансування елементів акумуляторів та мережах фільтрації сигналів. Дефекти роботи індуктивних елементів або відмова компонентів можуть безпосередньо спричиняти аномалії живлення BMS, збої в роботі схем балансування елементів акумуляторів та помилки оцінки стану заряду (SOC). У екстремальних умовах експлуатації ці проблеми можуть викликати аварійне відключення акумуляторів у режимі захисту, що врешті-решт призводить до вимкнення серверів і перерви в наданні обчислювальних послуг.
Порівняно зі звичайними промисловими системами управління енергозберіганням (BMS), резервні BMS для центрів обробки даних на основі штучного інтелекту мають кілька унікальних проектних проблем:
(1) Двонапрямлені короткочасні високострумові сплески: Системи резервного живлення повинні забезпечувати високопотужну подачу електроенергії протягом коротких інтервалів часу й сприяти згладженню пікового навантаження. За умов різких змін струму (високе di/dt), індуктивності повинні витримувати великі амплітуди імпульсних струмів та високі пікові сплески. Якщо відбудеться насичення магнітного осердя, це може призвести до відмови джерела живлення BMS і хибних спрацьовувань захисних механізмів.
(2) Неперервна експлуатація протягом усього року: Оскільки центри обробки даних працюють протягом 8–10 років, силові індуктивності піддаються постійному навантаженню протягом усього терміну їхньої експлуатації. Це ставить надзвичайно високі вимоги до втрат у мідному провіднику (DCR), втрат у магнітному осерді та стабільності теплового нагріву в довготривалій перспективі, вимагаючи абсолютної стійкості до дрейфу параметрів через старіння чи теплових відмов.
(3) Важкі умови електромагнітних перешкод у серверних стійках з високою щільністю розташування: Шафи серверів високої щільності містять велику кількість імпульсних джерел живлення на основі карбіду кремнію (SiC) та нітриду галію (GaN), які створюють інтенсивні високочастотні перемикальні шуми. У системі управління акумуляторами (BMS) аналогові вхідні пристрої (AFE) для зчитування даних та схеми вимірювання напруги й струму обробляють надчутливі сигнали. Проникнення магнітного потоку від неекранованих або погано екранованих дроселів може викликати перешкоди в цих ланцюгах зчитування, що призводить до похибок у розрахунках стану заряду (SOC) та стану здоров’я (SOH), а врешті-решт — до порушення безпеки акумулятора.
(4) Умови експлуатації на борту в широкому температурному діапазоні: На друкованих платформах системи управління акумуляторами (BMS) часто виникають локалізовані теплові «гарячі точки», через що компоненти на борту повинні зберігати стабільні електричні параметри в широкому температурному діапазоні від −40 °C до +125 °C. Найважливіше — дроселі живлення мають демонструвати мінімальне зниження струму насичення при підвищених робочих температурах, щоб забезпечити надійну роботу схем.
(5) Компонування апаратного забезпечення з високою потужнісною щільністю: Місце для серверних стоїків є обмеженим, що призводить до постійного зростання щільності інтеграції плат контролерів BMS. Тому потужні індуктивності повинні поєднувати високу здатність до пропускання струму з мініатюрними поверхневими корпусуваннями, одночасно відповідаючи суворим стандартам стійкості до механічних навантажень і вібрацій на рівні друкованих плат.
2. Основна роль індуктивностей у резервних системах BMS для центрів обробки даних на основі ШІ
У архітектурах резервних систем BMS на основі літій-іонних акумуляторів для центрів обробки даних на основі ШІ потужні індуктивності використовуються переважно на етапах перетворення потужності, у колах балансування елементів та у підколах фільтрації сигналів. Стабільність роботи кожного етапу безпосередньо впливає на загальну надійність і безпеку резервної системи живлення.
(1) Основне керуюче коло постійного струму
Мікроконтролер головної плати системи управління акумулятором (BMS), інтегральні схеми аналогового переднього кінця (AFE), операційні підсилювачі для вибірки сигналів та трансивери інтерфейсу зв’язку спираються на кілька стабільних низьковольтних живильних шин, які генеруються з напруги основної акумуляторної шини за допомогою перетворювачів постійного струму Buck/Boost. Як основні компоненти накопичення й фільтрації енергії, живильні дроселі забезпечують чисті й стабільні живильні шини для блоків керування BMS. Якщо дросель насичується або демонструє аномальні втрати потужності, це може призвести до нестабільності основного живлення BMS і безпосередньо — до втрати критичних функцій моніторингу та захисту акумулятора.
(2) Активне коло балансування
Через велику кількість елементів у модулях резервних акумуляторів на основі ШІ узгодженість елементів поступово погіршується під час тривалих циклів заряджання й розряджання. Активні схеми балансування на основі індуктивностей використовують накопичувальні індуктивності для передачі енергії між окремими акумуляторними елементами. Стабільність параметрів цих індуктивностей безпосередньо визначає ефективність та точність балансування, забезпечуючи повне використання ємності всього акумуляторного блоку, зменшуючи ризики перезаряду та глибокого розряду елементів і подовжуючи загальний термін служби акумуляторів для накопичення енергії. Поширені активні схеми балансування елементів включають прямі схеми на основі трансформаторів (двонапрямкові перетворювачі типу flyback), архітектури з матрицею перемикачів і трансформаторами та неізольовані двонапрямкові схеми балансування на основі індуктивностей buck-boost. Хоча перші дві схеми використовують трансформатори для передачі енергії між окремими елементами, двонапрямкове балансування buck-boost ґрунтується на стандартних принципах роботи перетворювачів buck-boost, забезпечуючи простішу й зрозумілішу реалізацію у апаратному забезпеченні. Принцип роботи активного балансування buck-boost полягає у прямій передачі заряду між суміжними акумуляторними елементами, а не у переміщенні енергії між віддаленими ділянками блоку. Такий підхід значно спрощує складність схеми балансування й одночасно повною мірою використовує здатність кількох балансувальників працювати одночасно для перерозподілу заряду по всьому акумуляторному ланцюгу.
Малюнок 1. Двонапрямковий топологічний активний балансувальник типу buck-boost
Як показано на Малюнку 1, один двонапрямковий балансувальник типу buck-boost встановлено для кожної пари елементів. У режимах балансування buck або boost він забезпечує двонапрямкову передачу заряду між двома сусідніми елементами, що в кінцевому підсумку забезпечує узгодженість ємності всіх елементів. У режимі балансування buck активний балансувальник передає енергію з верхнього елемента на нижній; у режимі балансування boost — з нижнього елемента на верхній.
(3) Фільтрувальне коло ЕМІ/ЕМС
Головна шина заряджання/розряджання акумулятора демонструє високочастотні імпульси перемикання та короткочасні шумові сплески. Диференційні дроселі у поєднанні з конденсаторами утворюють LC-фільтрувальні мережі, які пригнічують імпульси струму, що виникають через двонаправлене перемикання потужності, зменшують зв’язок шуму з вимірювальними ланцюгами BMS, забезпечують точність вимірювання напруги й струму та мінімізують накопичені помилки оцінки рівня заряду (SOC). Загальні дроселі використовуються для пригнічення загального шуму у силових лініях, блокуючи проникнення зовнішнього електромагнітного шуму в BMS і водночас запобігаючи випромінюванню внутрішнього шуму перемикання BMS до сусідніх пристроїв.
3. CODACA надає високонадійні дроселі для резервних систем BMS у центрах обробки даних на основі ШІ
Щоб задовольнити унікальні експлуатаційні вимоги систем керування резервними акумуляторами для центрів обробки даних на основі штучного інтелекту (BMS), компанія Codaca оптимізує свої індуктивності за кількома параметрами, зокрема за складом магнітного сердечника, архітектурою обмотки та проектуванням надійності. Індуктивності розроблені для різних рівнів потужності в колах BMS резервного живлення AI, а Codaca пропонує комплексну матрицю перевірених у реальних умовах продуктів:
Власні високострумові дроселі компанії Codaca мають магнітні сердечники з матеріалів, що забезпечують низькі втрати, та конструкцію обмотки з плоского дроту, що забезпечує наднизькі втрати в сердечнику й чудову характеристику «м’якого» насичення. Під час миттєвих високострумових імпульсів індуктивність зменшується плавно й поступово, а не різко, що ефективно запобігає повному насиченню сердечника під час раптових стрибків струму навантаження. Ці дроселі мають максимальний струм насичення (Isat) до 422 А та розширену робочу температурну межу до 170 °C, що робить їх придатними для екстремальних умов із високими постійними струмовими навантаженнями та підвищеним тепловим навантаженням. Вони забезпечують низьке підвищення температури поверхні під час тривалої роботи при високому струмі, що робить їх ідеальними для широкого спектру топологій схем BMS.
Рекомендовані продукти: CSBX /CSBA /CPRX /CPRA /CPEX /CPEA
(2) Формовані силові індуктори
Власні формовані силові дроселі компанії Codaca використовують магнітні сердечники з матеріалів низьких втрат та передовий процес гарячого пресування, що значно зменшує розміри компонентів та втрати потужності й підвищує загальну надійність роботи. Завдяки повністю магнітно екранованій конструкції вони мають надзвичайно низьку витічку магнітного потоку, що запобігає зв’язуванню сторонніх магнітних полів із чутливими сигналами аналогового фронт-енду (AFE) для вимірювання напруги та струму. Це забезпечує високу точність вимірювання SOC та SOH, зменшує приховані несправності системи, спричинені ЕМІ, й підвищує електромагнітну сумісність (EMC) повного пристрою. З максимальним робочим температурним класом до 155 °C та піковим ККД перетворення потужності до 98 % ці силові дроселі ефективно підвищують загальну надійність системи BMS й максимізують ККД перетворення потужності у постійному струмі.
Рекомендовані продукти: CSEG-H /CSEB-H /CSHB /CSAG
(3) Задушення в загальному режимі
Вибираючи заглушку спільного режиму, розроблену з високоімпедансними характеристиками у цільових частотних діапазонах, інженери можуть ефективно придушувати шум спільного режиму та зменшувати вплив електромагнітних перешкод (EMI) на стабільність роботи BMS. Codaca пропонує повний асортимент рішень із заглушок спільного режиму, адаптованих до різноманітних вимог клієнтів щодо застосування.
Рекомендовані продукти: TCAB /CSTP /CRHCM /CSUC
Завдяки стрімкому розвитку генеративного штучного інтелекту системи резервного енергозабезпечення центрів обробки даних швидко модернізуються й удосконалюються. Як основний інтелектуальний компонент, що забезпечує безпеку резервного живлення, система керування акумуляторами (BMS) висуває все більш жорсткі вимоги до щільності потужності, тривалої надійності та електромагнітної сумісності магнітних компонентів. Маючи двадцять п’ять років глибокої спеціалізації у сфері силових індуктивностей, Codaca використовує інновації в матеріалах та постійне вдосконалення виробничих процесів для надання комплексних рішень у вигляді індуктивностей, оптимізованих для BMS, у сценаріях резервного енергозабезпечення центрів обробки даних на основі штучного інтелекту. Високонадійні силові магнітні компоненти Codaca забезпечують стабільну й безперервну роботу глобальної обчислювальної інфраструктури.