GERA021 July 2022 AMC3301 , AMC3302 , AMC3306M25 , AMC3330 , AMC3336
1 Anwendungshinweis
Die wachsende Nachfrage nach Cloud-basierter Technologie bei Internet-Content-Anbietern, Kommunikationsdienstleistern und vielen Konsumenten und Unternehmen führt zu einer starken Nachfrage nach Rechenzentren. Die Stromverteilungsnetzwerke in diesen Servern in Rechenzentren, von der Front-End-Leistungsfaktorkorrektur (PFC) bis hin zu den DC/DC-Stufen, sind erforderlich, um Standards mit hohem Wirkungsgrad und hoher Leistungsdichte zu erfüllen.
Ein Zertifizierungsstandard mit dem Namen 80 PLUS, der von Electric Power Research (EPRI) in Zusammenarbeit mit Ecos Consulting entwickelt wurde, fördert die effiziente Energienutzung in Server-Stromversorgungseinheiten (PSU) für Rechenzentren. Die Server-Netzteile können eine der vielen 80 Plus-Zertifizierungen wie Gold, Platin usw. erhalten, die auf der erreichbaren Energieeffizienz bei Nennlast und Leistungsfaktor (PF) basiert.
Verständnis der Anforderungen des Titanium-Standards
Die Anforderungen an den Wirkungsgrad, den Leistungsfaktor und die harmonische Gesamtverzerrung (iTHD) des 80 Plus Titanium-Standards sind in Tabelle 1, Tabelle 2bzw. Tabelle 3 dargestellt.
| 115 V intern nicht redundant | 230 V intern redundant | 230 V EU-intern nicht redundant | ||||||||||
|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|
| Nennlast | ||||||||||||
| 10% | 20% | 50% | 100% | 10% | 20% | 50% | 100% | 10% | 20% | 50% | 100% | |
| Titan-Wirkungsgrad | 90% | 92% | 94% | 90% | 90% | 94% | 96% | 91% | 90% | 94% | 96% | 94% |
| Ausgangsleistung | 10% | 20% | 50% | 100% |
| Leistungsfaktor | > 0,90 | > 0,96 | > 0,98 | > 0,99 |
| Ausgangsleistung | > 5 % und ≤ 10 % | > 10 % und < 20 % | ≥ 20% | ≥ 40% | ≥ 50% |
| iTHD | < 20% | < 15% | < 10% | ≤ 8% | ≤ 5% |
Hocheffiziente Server-PSU-Implementierung
Abbildung 1 eigt eine solche Implementierung einer Server-Stromversorgung mit PFC- und DC/DC-Stufen. Eine nicht isolierte PFC-Stufe stellt sicher, dass der gleichgerichtete Eingangsstrom der gleichgerichteten Eingangsspannung folgt. Diese Frontend-PFC-Stufe erzeugt einen Zwischenkreis mit einer relativ großen Welligkeit. Eine isolierte DC/DC-Stufe bietet dann eine galvanische Trennung und eine gut geregelte Ausgangsspannung mit minimaler Ausgangsstromwelligkeit.
Abbildung 1 Implementierung einer
Server-Stromversorgung mit PFC- und DC/DC-StufenDer Leistungsfaktor für maximalen Wirkungsgrad sollte nahe an der Einheit liegen. Ein effizienter PFC wird durch eine brückenlose Einphasen-Totem-Pole-Topologie mit einer Spannungs- und einer Stromrückkopplungsschleife erreicht. Die Spannungsrückkopplungsschleife wird dazu verwendet, die PFC-Busspannung auf einen vorgewählten Wert zu regeln, und die Stromrückkopplungsschleife regelt den durchschnittlichen Gesamtstrom der Induktionsspule. Die Stromschleife erfordert eine hohe Messgenauigkeit und hohe Bandbreite, um die Anforderungen des Titanium-Standards an Wirkungsgrad, PF und iTHD zu erfüllen. Je nach Architektur und Standort der MCU muss der Rückkopplungspfad der Strom- und Spannungsmessung möglicherweise isoliert werden.
Isolierte Hochleistungs-Strom- und -Spannungsmessung in Server-Netzteilen
Shunt-basierte Strommessungen sind die bevorzugte Option, um die hohe Genauigkeit und Bandbreite der Stromrückkopplungsschleife zu erreichen. Shunt-basierte Lösungen bieten höhere Genauigkeit, geringere Temperaturdrift und höhere Bandbreite als Hall-basierte Stromsensoren mit offenem Regelkreis. Hall-Sensormodule mit geschlossenem Regelkreis könnten eine Alternative darstellen, aber sie sind im Vergleich zu Shunt-basierten Lösungen sehr teuer, um die erforderliche Leistung zu erreichen.
Shunt-Widerstände in Kombination mit verstärkten isolierten Verstärkern wie dem AMC3301 (±250 mV-Eingangsbereich) oder AMC3302 (±50 mV-Eingangsbereich), die mit einer einzigen Stromversorgung arbeiten können und eine Bandbreite von bis zu 300 kHz bieten, stellen eine einfache und einfach zu implementierende Lösung für genaue Shunt-basierte isolierte Strommessung dar. Diese Produkte enthalten einen vollständig integrierten DC/DC-Wandler, der eine Stromversorgung auf der Strommessseite überflüssig macht. Für Spannungsmessungen ermöglicht ein Widerstandsteilernetzwerk mit nachgefolgten verstärkten isolierten Verstärkern wie AMC3330 (±1 V-Eingangsbereich) eine sehr genaue isolierte Spannungsmessung. Abbildung 2 und Abbildung 3 zeigen die Blockschaltbilder von AMC3301 bzw. AMC3330.
Abbildung 2 AMC3301
Blockschaltbild
Abbildung 3 AMC3330
BlockschaltbildFazit
Mit dem Trend der Hersteller von Servernetzteilen, die die Zertifizierung nach dem Titanium-Standard erreichen wollen, bietet die Produktfamilie AMC33xx eine leistungsstarke, kostenoptimierte und einfach zu implementierende Lösung für die isolierte Strom- und Spannungsmessung.
Ressourcen
- Schulungen und Videos von Texas Instruments zu Trennverstärkern und Modulatoren
- Texas Instruments Whitepaper zum Vergleich isolierter Verstärker und isolierter Modulatoren
- Texas Instruments Whitepaper, Vergleich von Shunt- und Hall-basierten Strommesslösungen in Onboard-Ladegeräten und DC/DC-Wandlern
- Texas Instruments, Anwendungshinweis: Genauigkeitsvergleich isolierter Shunt- und Closed-Loop-Strommessung