+48 הוא ה-48 – החדש

ממעגלים למנות (package)
שיקולים כלכליים טהורים הם שהניעו מקורית את המעבר שחל בענף הטלקומוניקציה, ממערכות של מיתוג מעגלים למערכת של מיתוג מנות
(packages), וזאת כאשר עלות ההקצאה הדינמית צנחה אל מתחת לעלותם של קווי התקשורת בשנת 1969 (הפניה 1). אשרורו של פרוטוקול X.25 בשנת 1976 סיפק תקן תקשורת בינלאומי משותף ובכך האיץ את המגמה.
באותה עת לא הייתה כל מודעות לכך כי שינוי זה בארכיטקטורת הרשת יוביל למיזוג תשתיות תקשורת ומחשוב ולהופעתו של פלח תקשורת הנתונים. כמעט ארבעה עשורים לאחר מכן, תעבורת נתוני השמע מהווה רק אחוזים בודדים מכלל ניצולת הרשת. יחד עם זאת, מערכת הטלקום הייתה כה גדולה, עד ששרידים מן ה”עולם הישן” נותרו על כנם וקיימים גם כיום.
לפני מיתוג המנות, רשתות מיתוג המעגלים עיבדו אך ורק את תעבורת ה-voice-band תוך שימוש בכמות גדולה של מגברים אנלוגיים, אקוולייזרים וממסרים מכניים. ספקי הכוח של -48V ששימשו עבור מערכות אלה היו תואמים למערכות של סוללות עופרת-חומצה בעלות נפח גבוה, שנדרשו על מנת לתת מענה של שעות עבודה רבות של פעולה תקינה. בדרך כלל, מקור האנרגיה הראשי היה בלתי מווסת, והדבר הוביל למתחי הזנה שנעו בטווחים שבין -75V בקו הגבוה של המערכת הראשית ועד ל-36V- בקצה מחזור הטעינה של סוללת הגיבוי. טעינת יתר של סוללות העופרת-חומצה שהיו בשימוש באותה תקופה גרמו לפליטתם של אדים חומצתיים. הבחירה במתח הזנה שלילי סייעה למזער ולהגביל את תוצרי הקורוזיה – סוגיה שהחמירה עוד יותר בגין השימוש במערכות לא מתוחכמות של בקרת טעינה, לחות ואוורור לקוי בחדרי המצברים.
מאז המעבר למיתוג מנות והמרת ספקי הטלקום לחברות נתונים, מרכזיות (COs) מספקים שמע, וידאו ואינטרנט דרך משאבים דיגיטליים משותפים.

לחשוב חיובי
השינויים שחלו בארכיטקטורת הרשת, בשילוב ההתקדמות הטכנולוגית שאפיינה את רכיבי תת מערכות ההספק, עודדו שינויים בתכנון של תת מערכות ההספק ומעבר ממתחי הפצה שליליים לחיוביים. תכנוני הסוללות החדשים ומגמת השימוש בבקרות סביבתיות משופרות בחדרי המצברים האיצו את התהליך. לדוגמה, רוב המתקנים החדשים ושדרוגי ה-CO בחברות Datacom כגון AT&T (ארה”ב), Deutsche Telekom (גרמניה), Orange SA (צרפת) ו-Verizon (ארה”ב) יפעלו ממקורות הזנה של +48V.
היפוך הקוטביות מאפשר לחברות ה-Datacom לנצל את יתרונות הגודל של חומרת הזנת המתח שכבר נמצאת בשימוש נרחב על-ידי מערכות עיבוד נתונים ברמת השרת לתחומים אחרים. עם זאת, זהו בסך הכול השינוי הברור ביותר שחל באסטרטגיות הזנת המתח אשר משמשות את חברות ה-Datacom. ממירי ה-AC
ל- +48V שלהן מתאפיינים גם בטווח מתחי מוצא שהינו מצומצם בהרבה לעומת הטווח שאפיין את ממירי ה-AC ל- -48V שקדמו להם. הטווח הצר יותר של מתחי ההזנה מתאפיין במספר יתרונות מהותיים:

שמירת ה-SELV
לאור אפיצויות גבוהות יותר של מתח המוצא, מגבלת ה-high-line עבור מערכות ההפצה של +48V עומדת על 60V, ומאפשרת להגדירן כמערכות (safety extra low voltage). מערכות ה-SELV זולות יותר לתכנון ולבנייה מאשר מערכות שוות ערך אחרות, אשר מאפשרות מתחים גבוהים יותר, וזאת כיוון שאינן דורשות מאפייני בטיחות אישית נוספים. בנוסף לחיסכון בחומרה, טכנאי ההתקנה והתחזוקה אינם זקוקים להסמכה עבור טיפול במעגלים בעלי מתח גבוה יותר שאינם SELV, כך שלרוב עלויות העבודה עבור פעילויות אלה אף הן נמוכות יותר. בנוסף, מערכות SELV תואמות יותר לתכנונים בעלי צפיפות גבוהה מאשר מערכות שפועלות במתחי עבודה גבוהים יותר, כיוון שהן דורשות מרחקי פריצה (creepage) ומרווחי בידוד קטנים יותר.
בתוך ה-CO, סוגיית הצפיפות הנה משמעותית למדי: בעוד שבתקופת מעגלי מיתוג צריכת ההספק נמדדה בכמה מאות ואט למטר מעוקב, כיום היא נמדדת בכמה קילו-ואט. הביקוש הצרכני מניע תעבורת רשת בשיעור צמיחה שנתי כולל של 23%, הצפוי להימשך עד לשנת 2017, ולאור העלייה ההדרגתית בשטחי עלות ה-CO, נראה כי מקסום התפוקה לשטח רצפה נמצא בעדיפות גבוהה (הפניה 2).

שמירת הטווח הצר
שמירה על טווח צר של הזנת מתח ברמה של 48V מאפשרת למתכנני המערכות להגדיר ממירים יעילים וקומפקטיים יותר עבור עומסי downstream, כגון line cards ו-CPUs. ייתכן כי הנצילות עצמה אינה מניעה קבלת החלטות בנוגע לבחירת החומרה, אולם מעצם כך שהם מאפשרים צפיפות גבוהה יותר, ממירים שמתאפיינים בנצילות אנרגיה עומדים בדרישות וזאת בגין מספר סיבות: ראשית ומעל לכול, הם מאפשרים למתכננים לקדם את צפיפות ההספק והצפיפות התפקודית עד למגבלות המעשיות של הטכנולוגיה העכשווית, למזער את עומסי הקירור ולשמור על אמינות גבוהה.
מערכות ה-SELV הקודמות של הזנת המתח, שפעלו במתחים של 48v, הגבילו את מתחי המוצא שלהן ל- ±20%. תכנוני ה-AC-DC העכשוויים מתאפיינים בדרך כלל בטווחי מוצא מוגבלים יותר ובאפיצות של ±10% ומעלה. כתוצאה מכך, ועבור טכנולוגיות מסוימות, טופולוגית ההמרה שתומכת במערכות הפצה של +48V יכולה, לחלופין, לספק מתחי מוצא של 54V ולהישאר בגבולות ה-high-line של מערכות ה-SELV, שעומדים על 60V. הפעלת מערך ההזנה במתח של 54V מפחית את הפסדי ה-I2R בשיעור של 26% לעומת הזנות מתח של 48V. מתח ההזנה הגבוה יותר אף מאפשר שימוש ב-Power over Ethernet בגבולות המתקן לצורך הפעלה של תקשורת באתר, חיישנים מרוחקים ופונקציות אבטחה פיזיות.

צפיפות הספק גבוהה
במקביל להתקדמות של טופולוגיות המרת ההספק, תכנוני המיתוג וטכנולוגיות הזיווד, חל גידול גם בקיבולת ההספק per-package ובצפיפות ההספק הכוללת (איור 1, טבלה 1). עם זאת, צפיפות ההספק הגולמית אינה מציגה את התמונה המלאה, במיוחד עבור התקני input, 1.xV output המיועדים ליישומי CPU. ממירי הספק אלה חוסכים שלב בתהליך ההמרה, על-ידי כך שהם מחליפים הן את ה- intermediate bus DC-DC וכן את מייצב ה- (Point of Load) של ה-CPU, אשר מתאפיין לרוב בעקבה (footprint) קטנה יותר מאשר זו שאפיינה את ה-PoL המקורי. גישה זו מאפשרת למתכננים לנתב את אספקת ה-48V על גבי לוח ה-CPU ובכך מפחיתה את הפסדי ה-PCB I2R בשיעור של פי 16 או יותר.
לדוגמה, Design Reference 48V VR12.5 Vicor אינו כולל עוד טופולוגיות המרה עם מספר דרגות, וכך מפחית את מספר הרכיבים תוך שמירה על תאימות מלאה עם דרישות ההספק של Haswell. ארכיטקטורה זאת מפחיתה גם במידה ניכרת את גודל קבלי הצבירה (bulk capacitance) ובכך מגדילה עוד יותר את צפיפות ההספק. הירידה במספר הרכיבים ודרישות אגירת האנרגיה המופחתות מאפשרות למתכננים למקם את ה-power train קרוב יותר למעבד. הדבר מפחית את ההפסדים וההשראות הפרזיטית במוליכי האספקה של המעבד – אותם המוליכים המעבירים את הזרמים הגבוהים ביותר בלוח ומתאפיינים בשינויי הזרם הגדולים ביותר.

סיכום
יישומי Datacom דורשים תתי מערכות המתאפיינות בצפיפות גבוהה והפסדים נמוכים. הזנת מתח (נומינלית) של +48V ברמת אפיצות גבוהה מאפשרת לזהות את המערכות כתכנוני SELV, תוך הפחתת עלויות ההתקנה והתפעול. ספקי כוח בעלי טווח צר של 48V מקדמים שימוש בממירי הספק בנצילות גבוהה עבור line cards ומעבדים. רכיבי הספק אלה מסייעים למתכנני תתי מערכות ההספק למזער את הפסדי ההספק ולהשיג צפיפות הספק מרבית.

הפניות:
1. Roberts, Lawrence, The Evolution of Packet Switching, November 1978.
2. Cisco Visual Networking Index: Forecast and Methodology, 2012-2017, Cisco Systems, May 2013.

הכותב הינו סמנכ”ל קו מוצרי , Vicor
הכתבה נמסרה באדיבות חברת מגוון טכנולוגיות