Korszerű alkatrészek az adatközpontok nagy teljesítményű számítástechnikai rendszereinek tápegységeibe a mesterséges intelligencia rohamos térnyerésének idején

A felhőszolgáltatások bővülése és a jobb méretezhetőséget és rengeteg számítási erőforrást igénylő nagy méretű nyelvi modellektől (LLM, large language model) függő mesterséges intelligenciás (MI vagy az angol artificial intelligence kifejezésből alkotott betűszóval AI) alkalmazások iránt hirtelen megnőtt kereslet közepette ugrásszerű lett az adatközpontok növekedése. Ehhez a nagy teljesítményű számítástechnikai (HPC, high-performance computing) rendszerek új generációjára van szükség, amelyek olyan különleges részegységeket használnak, amelyek képesek a nagyobb teljesítmény- és hűtési igények kielégítésére.

Ezeknek az adatközpontoknak az igényei növelik a keresletet a jó minőségű passzív alkatrészek, például a szűrőkondenzátorok, ellenállások és fojtótekercsek (ritkábban használt idegen szóval induktorok) iránt, amelyeket a terméktervezők felhasználhatnak a korszerűbb nagy teljesítményű számítástechnikai eszközök fejlesztésében, hogy azok megfeleljenek a mesterséges intelligenciával végzett feldolgozás követelményeinek. Ezek közé a követelmények közé tartozik a kisebb méretű eszközökkel elért jobb hatásfok, a nagyobb teljesítmény, a nagyobb megbízhatóság és a jobb hűtés, ami lehetővé teszi az adatközpontok számára a hely optimalizálását és rendszerek sűrűségének növelését.

Jobb fojtótekercsek a nagy teljesítményű számítástechnikai eszközök jobb hatásfoka érdekében

A KEMET, a YAGEO csoport leányvállalata, fémkompozit fojtótekercseket fejlesztett ki az egyenáram-átalakítók és kapcsolóüzemű tápegységek teljesítményének javítására. Az eredeti berendezésgyártók (OEM, original equipment manufacturer) számára készült egyedi mágneses alkatrészek beszállítójaként szerzett múltját kihasználva kifejlesztette a cég a METCOM MPX termékcsaládot. Ezt szabványosított fojtótekercsek alkotják, amelyek jobban elviselik az áramlökéseket és magasabb üzemi hőmérsékletet, kicsi a méretük, és nagy a teljesítményük.

A METCOM fémkompozitmagos fojtótekercsek magjának nagy a telítési fluxussűrűsége, ami a hagyományos ferritmagos fojtótekercsekénél erősebb mágneses teret tesz lehetővé. Ezeknek a tekercsek széles hőmérséklet- és áramerősség-tartományban állandó az induktivitásuk.

A mag fémporból áll, szigetelőbevonattal és kötőanyaggal. Az MPX sorozat tagjainak induktivitása 0,1 µH-től 100 µH-ig terjed.

A nagy hőmérséklet- és áramerősség-tartományban állandó induktivitást nyújtó, összesütött mágneses fémkompozit porral körülvett kerek rézhuzal (1. ábra) felhasználásával a tekercset a felépítése számos egyenáram-átalakítós feszültségszabályozóba alkalmassá teszi, például adatközpontok kiszolgálóinak (szervereinek) kapcsolóüzemű tápegységeibe fojtótekercsként, elektromágneses zavarszűrő tekercsként, valamint terhelésponti feszültségszabályozókban való használatra.

1. ábra: A METCOM MPX fojtótekercsekben kerek rézhuzalt használnak, amelyet összesütött mágneses fémkompozitpor vesz körül (ábra: KEMET)

A fémpor használata nagyobb energiasűrűségű és hőállóbb, a ferritmagosoknál kisebb alapterületű fojtótekercsek előállítását teszi lehetővé, amelyeknek további előnyük, hogy nagyobb frekvenciákon kisebbek a magveszteségeik, és jobban elnyomják az elektromágneses zavarást (EMI, electromagnetic interference). Mindezek együttesen nagyobb tartósságot és megbízhatóságot kínálnak, ami elengedhetetlen az adatközpontok működéséhez.

A KEMET az MPX sorozat több mint 200 tagjával (2. ábra) bőséges termékválasztékot kínál. A választható méretek: 5 mm × 5 mm, 6 mm × 6 mm, 8 mm × 8 mm, 10 mm × 10 mm, 12 mm × 12 mm, 17 mm × 17 mm és 22 mm × 22 mm.

2. ábra: A KEMET METCOM MPX fojtótekercs külső kialakítása (ábra: KEMET)

Az MPX1D0630L3R3 például egy 6 mm × 6 mm-es, 3,0 mm magas alkatrész, amely a teljesítmény feláldozása nélkül teszi lehetővé a hatékony helykihasználást az alkatrészekkel telezsúfolt nyomtatott áramköri lapokon. +155 °C-ig terjedő névleges üzemi hőmérsékletével, 3,30 µH ±20%-os induktivitásával és 30,3 mΩ legnagyobb egyenáramú ellenállásával ez a fojtótekercs alkalmas nagy teljesítményű számítástechnikai rendszerekbe, ahol rendkívül fontos az áramellátás folyamatosságának, a hűtésnek és a hatásfoknak a fenntartása.

Ha kevésbé szigorúak a követelmények, vagy az induktivitási értékek tekintetében nagyobb sokoldalúságra van szükség, akkor jöhet szóba az 5 mm × 5 mm alapterületű, 3,0 mm magas, 22,00 µH induktivitású MPX1D0530L220 jelű fojtótekercs. Nagyobb, 341,2 mΩ legnagyobb egyenáramú ellenállásával olyan esetekben megfelelő, ahol a hűtés kevésbé fontos, vagy kiegészítő hűtés van beépítve a rendszerbe.

Ferritgyöngy fojtótekercsek nagy teljesítményű számítástechnikai rendszerekbe

Az azon nagy teljesítményű számítástechnikai rendszerekben való használatra, ahol általános elektromágneses zavarcsillapításra van szükség szigorú teljesítménykövetelmények nélkül, a YAGEO csoport egy másik tagvállalata, a Pulse Electronics kínál nagy áramfelvételre optimalizált ferritgyöngy fojtótekercseket. Ezeket kifejezetten transzformátor-fojtótekercses feszültségszabályozó (TLVR, trans-inductor voltage regulator) áramkörökkel való használatra tervezték.

A ferritgyöngy fojtótekercsek alternatívát jelentenek a toroidtekercsek helyett, amelyek jellemzően az asztali vasmagos feszültségszabályozókat (VCORE) táplálják. A furatszerelt változatban gyártott ferritgyöngy fojtótekercsek jobb hatásfokot és szorosabb tűréseket tesznek lehetővé, lehetőséget teremtve kisebb méretű VCORE feszültségszabályozók kialakítására.

Ahelyett, hogy több lépcsőben kellene csökkenteni a többfokozatú feszültségcsökkentő áramátalakító áramkörökben lévő egytekercsű fojtótekercsek búgóáramait, a ferritgyöngy fojtótekercsek lehetőséget adnak kisebb induktivitások használatára, és lehetővé teszik a tervezőnek, hogy megtalálja a megfelelő kompromisszumot az áramátalakítónak a terhelőáram változására való reagálási sebessége (tranziensválasz) a szabályozási hurok stabilitása között.

A Pulse Electronics alkatrészeit jellemzően nagyáramú, többfokozatú feszültségszabályozókban használják, amelyek processzorokat, memóriamodulokat, valamint kiszolgálók, grafikus kártyák, adattárolók és adatközpontok nagyáramú alkalmazásspecifikus integrált áramköreit (ASICS, application specific integrated circuit) és helyben programozható logikai kapumátrixait (FPGA, field-programmable gate array) látják el árammal. Ezek a kéttekercsű transzformátor-fojtótekercsek 4 mm × 4 mm és 13 mm × 13 mm közötti alapterületűek, 20 nH és 1 µH közötti induktivitással.

A PAL6373.XXXHLT sorozatú alkatrészek (3. ábra), amilyen például a PGL6380.101HLT jelű ferritgyöngy fojtótekercs, 12 mm × 6 mm alapterületűek, 100 nH és 200 nH közötti induktivitással, 59 A és 125 A közötti telítési csúcsárammal és –40 °C és +125 °C közötti üzemi hőmérséklet-tartománnyal. 1T vagy 2T tekercselés köré helyezett ferritmaggal készülnek, rendkívül kicsi az egyenáramú ellenállásuk (DCR, direct current resistance), nagy a csúcsáramuk, és kicsik a váltakozó áramú veszteségeik. Egyfokozatú, belső többfokozatú és csatolt fojtótekercses változatban kaphatóak.

3. ábra: A Pulse Electronics PAL6373.XXXHLT sorozatú ferritgyöngy fojtótekercs kinézete (kép: Pulse Electronics)

A nagy teljesítményű számítástechnikai rendszerek esetében a ferritgyöngy és a fémkompozit fojtótekercsek közötti választás a rendszer egyedi követelményeitől függ, például a nagy induktivitásstabilitás, a hőmérséklettűrés és a zajcsökkentés szükségességétől. A KEMET-tekercsek széles hőmérséklet-tartományban stabil teljesítményt nyújtanak, akár +180 °C-ig, és öntött fém szerkezetük segít csökkenteni az akusztikus zajt, ami a zajérzékeny nagy teljesítményű számítástechnikai rendszerekben előnyös lehet.

Stabil, hosszú élettartamú kondenzátorok

A KEMET vezetőképes polimeres alumínium szilárdelektrolit-kondenzátorai jól alkalmazkodnak a nagy teljesítményű számítástechnikai rendszerek magas követelményeihez is, ahol a teljesítmény, a hatásfok és a megbízhatóság is rendkívüli fontosságú.

A hagyományos folyadékelektrolitos alumínium elektrolitkondenzátorokkal ellentétben, amelyek vezető folyékony elektrolitot használnak, a KEMET kondenzátorok szilárd polimerjeinek kicsi az egyenértékű soros ellenállásuk (ESR, equivalent series resistance), amely ráadásul nagy hőmérséklet- és frekvenciatartományban és hosszú működési élettartam alatt is stabil marad.

A szilárd elektrolitos polimeres eszközök nagyobb búgóáramok kezelésére képesek, mint a folyadékelektrolitos kondenzátorok, amelyekben az elektrolit kiszáradhat és tönkremehet, valamint hosszabb az élettartamuk, rezgésállóbbak, és nagyobb stabilitásra vannak tervezve. Nagyfrekvenciákon is hatékonyan tartják meg a kapacitásukat, így vonzó választásnak bizonyulnak a gyors kapcsolású kapcsolóüzemű tápegységekbe.

A KEMET kondenzátorok a nagy teljesítményű számítástechnikai rendszerekre jellemző nagy áramigény mellett is jó hatásfokkal, jelentős teljesítményveszteség nélkül működnek, és a vezető polimer és az elektrolit kombinációjának köszönhetően a hagyományos elektrolitoknál magasabb feszültségeket is elviselnek. A polimer–alumínium szilárdelektrolit-kondenzátorok jobb villamos tulajdonságai és nagyobb tűrőképessége a választható alternatívákhoz képest jelentősen növelheti a nagy teljesítményű számítástechnikai rendszerek általános hatásfokát és megbízhatóságát.

A KEMET A768 sorozatú felületszerelt kondenzátorai (4. ábra), amelyeket úgy terveztek, hogy hosszabb élettartamúak legyenek, és széles hőmérséklet-tartományban nagyobb stabilitást nyújtsanak, 18 µF és 1200 µF közötti kapacitással és 4 V és 80 V egyenfeszültség (V_DC) közötti feszültségértékekkel kaphatóak. Az A768MS108M1CLAE015 jelű kondenzátor például 16 V-os, 1000 µF-os változat, amelynek egyenértékű soros ellenállása 15 mΩ, üzemi hőmérséklet-tartománya pedig –55 °C és +125 °C közötti. Az alapterülete 10,30 mm × 10,30 mm (H. × Sz.).

4. ábra: KEMET A768 sorozatú felületszerelt szilárd elektrolitos polimer–alumínium kondenzátor (kép: KEMET)

Ezeket a kondenzátorokat úgy tervezték, hogy magas követelményeket támasztó hőmérsékleti körülmények között is megőrizzék a teljesítményüket, és olyan változatok is rendelkezésre állnak, amelyek akár 30 g-ig terjedő rezgésnek is ellenállnak olyan nagy teljesítményű számítástechnikai rendszerekben, ahol a mechanikai igénybevétel vagy az elmozdulás instabilitást okozhat.

Vékonyréteg-lapkaellenállások

A nagy teljesítményű számítástechnikai eszközök egy másik fontos elemét jelentik a lapkaellenállások, amelyek kiegészítik a fojtótekercseket és a kondenzátorokat, hogy védelmet nyújtsanak a túl nagy áramerősség ellen, és biztosítsák a rendszer általános stabilitását és hatásfokát. 2023-ban a YAGEO csoport bemutatta NT sorozatú tantál-nitrid vékonyréteg-lapkaellenállásait, amelyeket úgy terveztek, hogy magas követelményeket támasztó környezetben is állandó teljesítményt nyújtsanak.

Az NT sorozat öngyógyító kialakítása vízzáró réteget képez, amely leszigeteli az ellenállásréteget, hogy megakadályozza a nedvesség behatolását. Az ellenállások 0402 és 1206 közötti tokméretben kaphatóak, 100 Ω és 481 kΩ közötti ellenállásértékekkel.

A széles, –55 °C és +155 °C közötti üzemi hőmérséklet-tartománynak köszönhetően az NT ellenállások hozzájárulnak a stabil teljesítményelosztáshoz és a jó hatásfokú energiaátvitelhez. A hőmérsékleti ellenállási együtthatójuk (TCR, temperature coefficient of resistance) kicsi, ±25 – ±50 ppm/°C közötti, teljesítményük 1/20 W és 2/5 W között van.

Összegzés

A felhőalapú számítástechnika és a mesterséges intelligencia igényei miatt olyan különleges tulajdonságokkal rendelkező elektronikus alkatrészekre van szükség, amelyek magas követelményeket támasztó körülmények között is nagy megbízhatóságot kínálnak. A tervezők a nagy teljesítményű számítástechnikai rendszerekkel szemben támasztott változó követelményeknek olyan speciális fojtótekercsekkel, ellenállásokkal és kondenzátorokkal tudnak megfelelni, mint amilyeneket a YAGEO csoport, valamint annak leányvállalatai, a KEMET és a Pulse Electronics szállítanak.