Yutaka Mizutani, Engenheiro Sênior de Aplicações de Campo, Vicor Corporation
Data: 21/03/2025
Categorias: Conversores DC/DC, Fontes de Alimentação
Tags: #vicor #vicorpower #dcdcconverter #powerelectronics
A rápida expansão dos serviços de computação em nuvem impulsionou um aumento dramático no tráfego de dados. Espera-se que essa tendência continue com uma taxa composta de crescimento anual (CAGR) de aproximadamente 20% de 2024 a 2033. Dispositivos de rede, incluindo roteadores e switches de rede, são essenciais para acomodar esse crescimento acelerado e desempenham um papel crítico na facilitação do fluxo de dados da internet.
Para garantir serviço ininterrupto e baixa latência para grandes volumes de dados, os dispositivos de rede exigem alta confiabilidade e disponibilidade. O sistema de alimentação elétrica é uma base para alcançar esse objetivo. Embora 48VDC seja o padrão legado de entrada para infraestrutura de rede, os dispositivos de rede operam com tensões positivas. Portanto, conversores DC-DC isolados são empregados para converter a tensão negativa de entrada em uma tensão de saída positiva. A redundância desses conversores é essencial para manter o tempo de operação do sistema em caso de falhas.
Saída Estável de 12V para uma Ampla Faixa de Tensão de Entrada
Os switches de rede são normalmente alimentados por uma fonte externa de -48V DC. No entanto, essa tensão de entrada pode flutuar significativamente, numa faixa de -36V a -75V. O conversor DC-DC deve manter uma tensão de saída estável de 12V, apesar dessas grandes variações na tensão de entrada.
Alguns módulos de potência podem ter dificuldades para manter uma saída estável em toda essa faixa, mesmo que especifiquem uma faixa de entrada de -36V a -75V. Esses módulos podem falhar ao fornecer uma tensão de saída consistente de 12V quando a tensão de entrada atinge seu limite inferior.
Em contraste, os módulos Vicor DCM se destacam na manutenção de uma saída estável de 12V ao longo de toda a faixa de entrada de -36V a -75V. O Vicor DCM3623 alcança isso por meio de um CI controlador proprietário da Vicor localizado no lado primário, que regula ativamente a tensão de saída. A relação entre a tensão de entrada e de saída para o DCM3623 pode ser visualizada usando a ferramenta “Product Simulators” disponível em vicorpower.com.
O modelo Vicor DCM3623E75H13C2T00 é um conversor DC-DC de alto desempenho ideal para atender a esses requisitos exigentes. Sua alta densidade de potência e capacidade de operação em paralelo fazem dele uma excelente escolha para sistemas de alimentação em switches de rede de alta densidade, especialmente em grandes data centers
Escalabilidade de Potência sem Componentes Adicionais
Para garantir a operação contínua de serviços críticos de tecnologia da informação, fontes de alimentação redundantes são essenciais. Quando múltiplas fontes operam em paralelo, os módulos normalmente monitoram a tensão e corrente de saída, compartilhando essas informações para equilibrar a corrente entregue. Além disso, diodos ORing podem ser adicionados à saída para evitar correntes circulantes causadas por diferenças de tensão entre as fontes. Em geral, a operação em paralelo exige componentes adicionais.
Contudo, os módulos de potência Vicor DCM podem operar em paralelo sem componentes adicionais. Isso é possível graças à função embutida de “modo droop” do DCM. Esse recurso permite o compartilhamento automático de corrente e simplifica o projeto da fonte.
Característica de Droop em Arranjos Paralelos
A característica de droop é uma função de controle que ajusta dinamicamente a tensão de saída em resposta a variações de corrente de carga e temperatura interna do módulo.
A tensão de saída é dada pela fórmula: \[V_{\text{OUT}} = 12V + 0.6316 \times \left(1 – \frac{I_{\text{OUT}}}{26{,}67}\right) – 1{,}600 \times 0{,}001 \times (T_{\text{INT}} – 25) + \Delta V_{\text{OUT-LL}}VOUT=12V+0.6316×(1−26,67IOUT)−1,600×0,001×(TINT−25)+ΔVOUT-LL\>
Onde:
- \(V_{\text{OUT}}\) = tensão de saída
- \(I_{\text{OUT}}\) = corrente de saída
- \(T_{\text{INT}}\) = temperatura interna do módulo (°C)
- \(\Delta V_{\text{OUT-LL}}\) = ajuste de tensão em carga leve
O módulo entrega nominalmente 12V com 26,67A a 25°C. Sob temperatura constante, a característica de carga do droop apresenta uma inclinação negativa de -5,26%, implicando numa tensão de saída mais baixa sob carga total. Essa variação de tensão, denominada “load-line”, é de aproximadamente 0,61V.
Durante operação paralela, módulos com menor corrente de saída geram tensões maiores, enquanto os que fornecem mais corrente reduzem sua tensão de saída. A temperatura interna influencia levemente essa regulação, permitindo compartilhamento de corrente passivo e confiável entre os módulos, mesmo sem comunicação entre eles.
Aumento da Tensão em Carga Leve (Light Load Boosting)
Por fim, alguns comentários adicionais relacionados ao termo \(\Delta V_{\text{OUT-LL}}\) na equação de \(V_{\text{OUT}}\) apresentada anteriormente.
O recurso de light load boosting (aumento de tensão sob carga leve) é ativado quando o consumo de energia combinado do próprio conversor DC-DC e da carga externa conectada à sua saída fica abaixo da transferência mínima de potência exigida por ciclo de comutação de cada MOSFET interno. Isso geralmente ocorre quando a corrente de carga cai abaixo de 10% do valor nominal.
Durante o light load boosting, o estágio de potência do DCM passa a operar em um modo cíclico liga-desliga, reduzindo a frequência de comutação e, assim, diminuindo consideravelmente o consumo de energia do módulo.
Esse tempo prolongado com o estágio desligado pode levar a um aumento da tensão de saída, como ilustrado na Figura 4. Esse aumento pode atingir até 2,15V, especialmente em condições de ausência de carga.
Para mitigar esse aumento de tensão, é recomendada a adição de um resistor de sangria (bleeder resistor) na saída, de forma a consumir aproximadamente 10mA, o que reduz efetivamente o valor de \(\Delta V_{\text{OUT-LL}}\)
Resumo Técnico Didático: Conversores DC-DC para Fontes Confiáveis em Switches de Rede
Contexto e Motivação
A crescente demanda por tráfego de dados, impulsionada por serviços de computação em nuvem, exige infraestruturas de rede mais robustas e confiáveis. Os switches de rede, que fazem parte essencial dessa infraestrutura, necessitam de fontes de alimentação capazes de garantir operação contínua, mesmo diante de variações severas na tensão de entrada.
Desafio de Entrada Variável e Saída Estável
Os switches operam tipicamente com uma entrada de -48VDC, mas essa pode variar de -36V até -75V. O desafio está em manter uma saída estável de 12V mesmo nessas condições extremas. O DCM3623 da Vicor resolve esse desafio utilizando um controlador proprietário que regula ativamente a saída, mantendo performance mesmo no limite inferior da entrada.
Escalabilidade Sem Componentes Adicionais
Para garantir redundância e alta disponibilidade, os sistemas frequentemente usam módulos em paralelo. Diferente de soluções tradicionais que exigem diodos ORing ou comunicação entre módulos, o DCM3623 utiliza uma abordagem de droop control: a tensão de saída é ligeiramente reduzida conforme a corrente aumenta, promovendo o balanceamento automático de corrente entre módulos em paralelo.
Formulação da Tensão de Saída com Droop
A tensão de saída é dada por: \[VOUT-LLV_{\text{OUT}} = 12V + 0{,}6316 \times \left(1 – \frac{I_{\text{OUT}}}{26{,}67}\right) – 1{,}6 \times 10^{-3} \times (T_{\text{INT}} – 25) + \Delta V_{\text{OUT-LL}}\]
Esse modelo considera:
- Corrente de carga,
- Temperatura interna,
- E um termo de correção para operações em carga leve.
Atenuação de Sobretensões em Carga Leve
Em situações de carga muito baixa (inferior a 10% do nominal), ocorre aumento da tensão de saída, que pode ser amenizado com a aplicação de um resistor de sangria para manter a carga mínima.
Confiabilidade, Estabilidade e Projeto Simplificado
A combinação de:
- Estabilidade sob variação de entrada,
- Balanceamento automático de corrente, e
- Redução de componentes externos,
torna essa solução altamente confiável para aplicações em ambientes críticos como data centers.
Tradução do artigo: https://www.powersystemsdesign.com/articles/dc-dc-converters-for-reliable-power-supplies-in-network-switches/22/22616