תכן חשמל עבור מחשוב בעל ביצועים גבוהים: PCB הקריטי למשימה
תכנון מערכת החשמל נוטה להתמקד בממירים, ברכיבים נפרדים ובאביזרים הנדרשים כדי לקבל מתח מהמקור לעומס, תוך התייחסות ללוח המעגלים המודפסים (PCB) כמישור הרכבה וניתוב והסתמכות בעיקר על מעגלי משוב ובקרה כדי לפצות על ההפסדים והעכבות הקטנים הרבים ב-PCB טיפוסי. עם זאת, בשנים האחרונות, עומסים בצפיפות גבוהה כמו מעבדים עבור AI ומחשוב-על הפכו מתוחכמים יותר ומהירים הרבה יותר, מה שדוחף כל רכיב לביצועים מרביים. ביצוע דרישות ויסות חשמל וקצבי מיסב ארעיים גבוהים במיוחד פירושם שלכל מקור של נפילת מתח ולכל מקור של אובדן חשמל בתוך המערכת, קטן ככל שיהיה, יש השפעה שלילית מדידה. לכן, פריסת PCB היא קריטית להשגת חשמל בעל ביצועים גבוהים. סקירה קצרה זו של העקרונות של פריסת PCB עתירת ביצועים כוללת גישות תכן תרמי, סקירה כללית של רשת אספקת החשמל (PDN), אסטרטגיות לניתוב זרמים גבוהים עם עכבה מופחתת וכמה שיקולים חשובים לתכנון קיבול ניתוק אפקטיבי.
האיור שלעיל מציג דוגמה לתכן עדכני שנוצר על ידי Vicor לצורך בדיקה והדגמה. בלוח בדיקה זה, וסת PRM™ ושני מכפילי זרם VTM™ המותקנים על גבי PCB בצפיפות גבוהה מספקים כוח למודול עומס המדמה מעבד מחשוב עתיר ביצועים. בפעולה, לוח קר או גוף קירור יותקנו מעל מודול ה-VTMs ומודול העומס, וגוף קירור נוסף יותקן על ה-PRM.
תכן תרמי
מטרת הניהול התרמי בתכנון מערכת החשמל היא להעביר חום ביעילות מצמתים מייצרי חום לאוויר הסביבה. העברה מסוימת תתרחש באופן טבעי, אך גם בעיצובים קונבנציונליים בדרך כלל יש צורך להוסיף גופי קירור ומאווררים. נדרש ניתוח מפורט של העברת חום, תוך התמקדות ב-PCB בשלב מוקדם בתהליך התכנון, עבור מערכות בצפיפות גבוהה על מנת לעשות שימוש מרבי ב-PCB עצמו כמוליך חום.
איור 1: הולכה אל ודרך ה-PCB היא חלק חשוב בניהול תרמי בצפיפות גבוהה, ודורשת שימוש במעגלים שווים לקביעת הנתיבים התרמיים היעילים ביותר (א), (ב). תכן תרמי טוב ממטב את מצבי העברת החום של הולכה והסעה (ג).
מקורות החום העיקריים במערכת חשמל הם הצמתים הפנימיים של רכיבים פעילים כמו ממירי חשמל. למטרות של מודל תרמי טופולוגי, לעומת זאת, הם יכולים להיות מיוצגים כצומת בקצה אחד של מעגל שווה ערך. ראה איור 1(א). כל רכיב או חומר שדרכו החום מאותו צומת פנימי חייב לעבור כדי להגיע לאוויר הסביבה המקיף את מערכת החשמל יכול להיות מיוצג בתור נגד המעכב את זרימת החום לעבר האוויר הסביבה. מעגל תרמי שווה ערך מציג את הנתיב הברור ביותר של החום מהצומת הפנימי של ממיר חשמל: דרך המארז, TIM ולבסוף גוף קירור לאוויר הסביבה. הוא מציג גם נתיב מקביל שני, פחות ברור, דרך ה-PCB. לעתים קרובות נוהגים להתעלם מהנתיב השני הזה, אך הוא בעל חשיבות מכרעת בתכנון חשמל בצפיפות גבוהה.
מודלים תרמיים יכולים להיות מורכבים למדי, עם עכבה תרמית שונה עבור כל רשת או קרקע. ללא קשר למורכבות, המודל התרמי יזהה את הרשתות עם הנתיבים בעלי העכבה הנמוכה ביותר להובלת חום מהצמתים הפנימיים של רכיב. לאחר מכן, המתכנן יכול להשתמש במידע זה כדי למקסם את הולכת החום על ידי הגדלת הנחושת המיועדת לאותה רשת, כלומר, הארכת מישורי נחושת חיצוניים ושימוש במעברים תרמיים כדי להגדיל את שטח הפנים מעבר למינימום כדי להגדיל את פוטנציאל פיזור החום. ניתן להשתמש בסוגים שונים של צינורות היכן שמתאים: צינורות מוערמים וקבורים, נקודות VIPPO ומעברים מסורתיים דרך חורים הם כולם אפשרויות יעילות בערכת הכלים של המתכנן.
סקירה כללית של ה-PDN
עכבת PDN, במיוחד בתוך ה-PCB, היא תחום המיקוד הקריטי עבור מערכות חשמל למחשוב בצפיפות גבוהה. מערכות אלו פועלות בתדירות גבוהה במיוחד. במערכת חשמל טיפוסית למחשוב בעלת ביצועים גבוהים, ה-PDN מורכב ממספר אלמנטים בין הפלט של וסת המתח לנקודת החישה, הממוקמת בדרך כלל בתוך ה-CPU, על התבנית או על חיבור ה-BGA. קבלים עוקפים, קבלי ניתוק עם חיבורים משויכים וחיבורי BGA מהווים את הרכיבים הבדידים של ה-PDN. שלבי הטעינה בתדר גבוה שנוצרו על ידי מעבדי מחשוב-על רבי עוצמה כה מהירים, עד שאין הרבה דברים שלולאת הבקרה יכולה לעשות כדי למזער את ההשפעות של ה-PDN. זו הסיבה שה-PDN הוא חלק כל כך אינטגרלי מהתכן.
איור 2: עכבות ברכיבים הבדידים של רשת אספקת החשמל (PDN) בין וסת מתח לעומס המעבד, במיוחד בתדרים גבוהים ובצעדי עומס גדולים, עלולות להשפיע באופן קשה על יעילות תכנון החשמל.
ניתוב זרם גבוה: הפחתת עכבת PDN
קריטי להגדיר את ערימת ה-PCB ואת תוכנית הרצפה מלפנים, כולל ספירת שכבות כללית, מספר השכבות המוקדשות להספק ולהארקה, ובאיזה משקל נחושת להשתמש. לאחר מכן, זהה שכבות ייעודיות לניתוב אותות ממשטחי הארקה רציפים. לאחר מכן, הגדר את השכבות הדרושות לכל רשת הדורשת ניתוב מבוקר-עכבה, בעלת מגבלות טפיליות או המביאה שיקולים מיוחדים אחרים. לאחר מכן, הגדר את השכבות הדרושות לכל רשת הדורשת ניתוב מבוקר עכבה, בעלת מגבלות טפיליות או מביאה שיקולים מיוחדים אחרים.
כמה טכניקות הערכה יזרזו את השלבים המוקדמים של תכנון PCB, ויקלו על השימוש בסימולציה כדי לחדד את התכן עוד יותר. שיטת הריבועים להערכת התנגדות מישור הנחושת היא טכניקה פשוטה ויעילה. וריאציה על שיטת הריבועים יכולה לשמש גם להערכת ההשראות של מישורי חשמל והחזרה סמוכים.
איור 3 :שיטות הריבועים להערכת ההתנגדות וההשראות של מישור החשמל.
ניתן להעריך את ההתנגדות וההשראות באמצעות חישובים פשוטים המבוססים על גאומטריה, מכיוון שניתן לדמיין את המעבר כגיליון דק של נחושת המגולגל לצינור. לכן, התנגדות המעבר (R) שווה למכפלת התנגדות הציפוי () ואורך המעבר (L) חלקי שטח חתך הציפוי (A).
איור 4: ניתן להעריך את התנגדות המעבר באמצעות כללי אצבע פשוטים המבוססים על גאומטריה.
קיבול טפילי יתרחש באופן טבעי, אך גם בתכנים קונבנציונליים בדרך כלל יש צורך להוסיף גופי קירור ומאווררים. כמו בהערכות של התנגדות והשראות, חישוב משוער של הקיבול הטפילי ב-PCB מתחיל מתכונות פיזיקליות בסיסיות: באופן כללי, הקיבול בין זוג מישורי מוליכים מקבילים גדל באופן פרופורציונלי עם שטח הפנים; הוא גם גדל ביחס הפוך למרווח הדיאלקטרי.
איור 5: קיבול טפילי ב-PCB הוא פונקציה של השטח המשותף לשני מישורים, המרחק בין המישורים הללו והקבוע הדיאלקטרי הנומינלי של החומר. מקור: סמינר תכנון ויישום אנלוגי של מהירויות גבוהות: http://www.ti.com/lit/ml/slyp173/slyp173.pdf
קיבול ניתוק
מערכות חשמל בצפיפות גבוהה דורשות קבלי ניתוק שנבחרו בקפידה כדי לסנן רעשי מיתוג בתדר גבוה. יישום מסוג זה מצריך קבלים המציגים התנגדות סדרה שוות ערך נמוכה מאוד (ESR) ותדר תהודה עצמית גבוה במידה הולמת – מעבר לנקודה זו, קבל מפסיק להיות יעיל כמסנן של רעש בתדר גבוה מכיוון שהעכבה שלו הופכת לאינדוקטיבית עקב השראות סדרה שוות ערך (ESL). ערך הקיבול עשוי להיות עוד פחות חשוב.
איור 6: בחירת קבלים ומיקום מעברים הם קריטיים להשגת סינון בעל עכבה נמוכה של רעשי מיתוג בתדר גבוה.
השגת ה-ESR הנמוך וה-ESL הנמוך היא האובייקט הראשון, ולשם כך על המתכנן לשקול קבלים קטנים יותר עם השראות נמוכה וקבלים עם גאומטריה הפוכה הממקמים את המסופים החיוביים והשליליים קרוב יותר זה לזה ומגדילים את תדר התהודה העצמית. מיקום זהיר של הרכיב וגם של הצינורות חשוב למזעור השראות הלולאה.
דוגמה למערכת שתוכננה להתמודד עם שלב עומס של 1000A ב-10,000A/µs מראה כיצד קבלי ניתוק 0402 הממוקמים קרוב מאוד למודול הכוח מחלישים את האדוות, בעוד קבלים אחרים בשקע מנתקים את העומס מה-PDN.
איור 7: בחירת קבלים ומיקומם בצורה מתאימה באמצעות סידור מעברים עתיר-ביצועים מאפשרים שלבי עומס של 1000A ב-10,000A/µs.
מסקנה
תכנון רשתות אספקת חשמל עבור מחשוב ו-AI עתירי-ביצועים הוא אתגר מורכב, בהתחשב בדרישות החשמל ההולכות וגוברות במונחים של רמות זרם ודיוק מתח הנדרשים על ידי המעבדים המתקדמים של ימינו. לכן, נדרשות טכניקות מידול ואומדן עדכניות לתכנון תרמי ו-PDN, כמו גם קריטריונים מתקדמים לבחירת רכיבים ולמיקום.
Vicor היא המובילה בתעשייה בתכנון צריכת חשמל בצפיפות גבוהה, תוך שימוש בטופולוגיות קנייניות בעלות יעילות גבוהה, סיליקון בקרה מתקדם וטכנולוגיות אריזה חדשניות לפתרון אתגרי החשמל המורכבים ביותר. הפיתוח של ממירי הספק מתקדמים הפך את Vicor גם לחלוצה באסטרטגיות עיצוב PCB להפקת המרב ממערכת חשמל. להעמקה בנושא זה, הירשם לסמינר המקוון לפי דרישה “פריסת PCB עתיר ביצועים וטכניקות תכנון תרמי [https://www.vicorpower.com/resource-library/webinars/pcb-layout].
תמונת כותרת: מערכת + TMPRM VTM ™בצפיפות גבוהה ליישומי מחשוב עתירי ביצועים, גורם צורה OAM
קרדיט: VICOR
