Cómo mejorar la eficiencia y la densidad de potencia de los centros de datos mediante el uso de MLCC

Las unidades de alimentación mejoradas (PSU) y los convertidores de bus intermedios (IBC) son fundamentales para satisfacer estas exigencias. Estos subsistemas deben ser capaces de soportar niveles de potencia más elevados, al tiempo que reducen las pérdidas y minimizan el espacio ocupado en la placa. Las mejoras en el rendimiento y el diseño de los capacitores se han convertido en factores clave para alcanzar estos objetivos.

En este artículo se describe la función de los capacitores en los sistemas de alimentación a nivel de rack y se analiza la evolución arquitectónica de las fuentes de alimentación (PSU) y los bloques de alimentación integrados (IBC). A continuación, presenta los capacitores cerámicos multicapa (MLCC) de TDK y muestra cómo pueden aplicarse para hacer frente a los retos que plantea el diseño de la alimentación eléctrica de los centros de datos de IA.

Tendencias en materia de suministro eléctrico en los centros de datos

Las cargas de procesamiento de los centros de datos están sometiendo a una gran presión a las arquitecturas de suministro eléctrico desde la red hasta la unidad de procesamiento (xPU) (Figura 1). En cada etapa, es imprescindible contar con una alta eficiencia, un bajo nivel de ondulación y una gran resistencia térmica.

Figura 1: El aumento de la demanda de energía está ejerciendo una gran presión sobre la arquitectura de alimentación de los centros de datos, desde la red eléctrica hasta la xPU. (Fuente de la imagen: TDK)

Las exigencias a nivel de rack y de servidor plantean un reto especial debido al rápido aumento de la densidad de cálculo. Por ejemplo, los diseños de las fuentes de alimentación están pasando de la clase convencional de 1 kW a 6 kW o 12 kW y más.

Para hacer frente a esta creciente demanda, los diseñadores están buscando formas de reducir las pérdidas y gestionar el calor en el interior de la fuente de alimentación, al tiempo que minimizan el espacio ocupado por la placa de circuito impreso (PCB). Las mejoras en el rendimiento y el formato de los componentes pasivos, como los capacitores, son factores clave para alcanzar estos objetivos.

La amplia gama de MLCC de TDK constituye un ejemplo paradigmático de capacitores perfectamente adaptados para satisfacer los requisitos de suministro de energía de los centros de datos. Estos capacitores se destacan por su densidad de capacitancia, al tiempo que ofrecen un alto rendimiento y una gran tolerancia térmica en diversas etapas de potencia a medida que evolucionan las arquitecturas.

Modificaciones en la topología del circuito CC/CC para aumentar la potencia de la fuente de alimentación

La etapa de conversión CC/CC lleva a cabo la conversión de potencia principal a alta tensión y alta frecuencia de conmutación, por lo que minimizar las pérdidas en esta etapa resulta fundamental para la eficiencia global. Los convertidores resonantes de tipo inductor-inductor-capacitor (LLC) constituyen la topología predominante en esta etapa. A medida que aumenta la potencia de los racks, los diseñadores están adoptando diseños en paralelo por fases (intercalados) y configuraciones de bloques de potencia en serie y en paralelo. Estos diseños utilizan grandes circuitos resonantes de inductor y capacitor (LC) para distribuir la corriente y el calor, al tiempo que aumentan la capacidad de potencia (figura 2).

Figura 2: Los convertidores CC/CC de las fuentes de alimentación de los centros de datos requieren capacitores resonantes de alta tensión. (Fuente de la imagen: TDK)

Los capacitores de película de polipropileno eran la opción habitual para esta aplicación. Sin embargo, a medida que aumentan las frecuencias de conmutación, los circuitos resonantes incorporan cada vez más capacitores MLCC debido a su estabilidad, su menor tamaño y sus menores pérdidas.

Los MLCC C0G de clase 1 para alta tensión de TDK son un buen ejemplo. El coeficiente de temperatura C0G significa que la capacitancia varía en 0 ±30 partes por millón por °C (ppm/°C). Esta clasificación también se conoce como "negativo-positivo-cero" (NP0), ya que la capacitancia se mantiene prácticamente inalterada en todo el rango de temperaturas de funcionamiento. Esto contribuye a que los tanques resonantes se mantengan en su rango de funcionamiento más eficiente, incluso cuando la temperatura de funcionamiento varía durante los transitorios de carga elevada, que son habituales en los modernos centros de datos de inteligencia artificial.

También cabe destacar el factor de calidad (Q) mínimo de esta familia, que es de 1000, lo que indica una resistencia en serie equivalente (ESR) extremadamente baja y, en consecuencia, unas pérdidas por disipación igualmente bajas. En la práctica, esto equivale a un factor de disipación del 0.1% o inferior, lo que se traduce en menores pérdidas por conversión que las de un capacitor de película comparable. Además, los MLCC de clase 1 C0G de TDK se presentan en una carcasa compacta de 3.2 × 2.5 milímetros (mm) (EIA 1210) que ocupa un espacio considerablemente menor en la placa de circuito impreso que un capacitor de película comparable.

Los capacitores de esta familia de MLCC abarcan un rango de tensión de entre 630 V y 1250 V y una capacidad de entre 2.2 y 10 nanofaradios (nF), lo que ofrece a los diseñadores diversas opciones para diferentes arquitecturas LLC. Todos los componentes de la gama están homologados para temperaturas comprendidas entre −55 °C y +125 °C, lo que garantiza la tolerancia térmica necesaria para las cajas de fuentes de alimentación de alta potencia.

Un ejemplo típico es el C3225C0G3B103J250AC, con una tensión nominal de 1250 V y una capacidad de 10 nF. Su curva de variación de temperatura es representativa de la familia, con una desviación inferior al 1% en todo el rango de temperaturas admitido (Figura 3).

Figura 3: El C3225C0G3B103J250AC presenta una variación de capacitancia inferior al 1% (sin polarización, eje Y ajustado entre 0.0000000095 y 0.0000000105). (Fuente de la imagen: TDK, modificada por Kenton Williston)

Cambios en la topología del PFC para aumentar la potencia de la fuente de alimentación (PSU)

A los niveles de potencia más elevados que caracterizan actualmente a las fuentes de alimentación de los centros de datos, la etapa de entrada del PFC está evolucionando hacia topologías multinivel que utilizan capacitores volantes (Figura 4). Estas topologías generan niveles de tensión intermedios que reducen la carga sobre los semiconductores de conmutación, por lo que disminuyen las pérdidas de conmutación y se pueden usar componentes de menor potencia nominal.

Figura 4: Las topologías PFC de varios niveles utilizan capacitores volantes para reducir la tensión a la que están sometidos los semiconductores de conmutación. (Fuente de la imagen: TDK)

Los capacitores de película de polipropileno metalizado han desempeñado tradicionalmente esta función. A medida que aumenta la densidad de potencia, los MLCC ofrecen ventajas clave en cuanto a densidad de capacitancia, inductancia en serie equivalente (ESL) y resistencia a las variaciones de temperatura. En una configuración de tres niveles, cada capacitor volante recibe aproximadamente la mitad de la tensión del bus de corriente continua, por lo que los MLCC de 450 V resultan una buena opción.

Los MLCC de clase 2 de media y alta tensión de la serie C (X6S/X7T) de TDK resultan muy adecuados para esta aplicación, ya que ofrecen componentes de 450 V en una carcasa de 5.7 mm × 5.0 mm (EIA 2220) con una capacitancia que oscila entre 0.68 µF y 2.2 µF. Dentro de esta familia, los dieléctricos X6S y X7T sacrifican la resistencia térmica a cambio de una mayor capacitancia. Los componentes X6S ofrecen una capacidad de 2.2 µF en el mismo espacio de montaje y están homologados para temperaturas de hasta +105 °C, dando prioridad a la densidad de capacitancia frente a la tolerancia a temperaturas extremas. Los componentes X7T están homologados para temperaturas de hasta +125 °C, pero su capacidad máxima es de 1 µF, lo que los hace adecuados para las zonas calientes cercanas a los dispositivos de conmutación.

El C5750X7T2W105K250KE es un componente típico para altas temperaturas, que ofrece una capacitancia de 1 µF a 450 V y +125 °C. Una característica clave de esta pieza es su remate redondeado (Figura 5). La terminación blanda incorpora una capa flexible de resina conductora que absorbe la flexión de la placa de circuito impreso y las tensiones térmicas, lo que reduce la tensión sobre las capas cerámicas. Esta resistencia resulta especialmente valiosa en el caso de componentes de mayor tamaño, como los MLCC de clase 2 y tamaño 2220.

Figura 5: La terminación blanda añade una capa de resina flexible para aliviar la tensión mecánica y el choque térmico. (Fuente de la imagen: TDK)

En el extremo opuesto se encuentra el modelo C5750X6S2W225K250KA. Este MLCC de clase 2 y 450 V presenta una capacitancia mucho mayor, de 2.2 µF, con algunas limitaciones, como una temperatura nominal de +105 °C y una terminación estándar. Esta pieza es adecuada para PFC sometidos a un estrés térmico menos intenso.

Convertidores para IBC de alta eficiencia y alta densidad

El IBC reduce la tensión del bus de distribución de 48 V al riel de 12 V que alimenta la placa del servidor. Esta etapa debe ofrecer una alta eficiencia y una elevada densidad de potencia, dadas las extremas limitaciones de espacio a nivel de placa.

Para alcanzar estos objetivos, los diseñadores están pasando del convertidor LLC convencional al convertidor de capacitores conmutados (SCC) o, más recientemente, a un convertidor híbrido de capacitores conmutados (HSC). Ambos enfoques sustituyen los voluminosos transformadores por capacitores más eficientes como componentes principales de gestión de la energía. Esto aumenta el número de capacitores en el IBC (figura 6), lo que convierte la densidad de capacitancia en una restricción fundamental del diseño. De este modo, el capacitor pasa de ser un componente auxiliar a convertirse en un elemento principal de transferencia de energía.

Figura 6: Los circuitos SCC y HSC utilizan más capacitores que un circuito LLC tradicional. (Fuente de la imagen: TDK)

Los MLCC satisfacen el requisito de densidad de dos maneras. En primer lugar, su elevada densidad de capacitancia permite a los diseñadores colocar numerosos dispositivos en paralelo, lo que aumenta la capacitancia total al tiempo que distribuye la corriente y la carga térmica por toda la placa. En segundo lugar, sus bajos valores de ESR y ESL los hacen resistentes a las ondulaciones de alta frecuencia y a los transitorios de conmutación, lo que contribuye a limitar la generación de calor.

Los capacitores volantes desempeñan un papel especialmente importante, ya que se utilizan tanto en los SCC como en los HSC. La familia X6S/X7R/X7S de 50 V para tensión general de TDK resulta muy adecuada para estos nodos. Ofrece capacitancias que van desde los 220 picofaradios (pF) hasta los 22 µF en carcasas con dimensiones que van desde los 0.5 mm × 1.0 mm (EIA 0204) hasta los 7.5 mm × 6.3 mm (EIA 3025). Gracias a estos paquetes tan pequeños, es posible conectar en paralelo numerosos capacitores dentro de un espacio determinado de la placa de circuito impreso.

El modelo C2012X7R1H475K125AE es una opción compacta que ofrece 4.7 µF en una carcasa de 2.0 mm × 1.25 mm (EIA 0805). A pesar de su reducido tamaño, es capaz de soportar aproximadamente 3 A de corriente de ondulación con un aumento de temperatura de tan solo 20 °C a frecuencias de conmutación comprendidas entre 500 kHz y 1 MHz. Por lo tanto, un puñado de estos dispositivos conectados en paralelo puede gestionar sin problemas la ondulación total (Figura 7).

Figura 7: La capacidad de corriente de ondulación del C2012X7R1H475K125AE es de aproximadamente 3 A para un aumento de temperatura de 20 °C. (Fuente de la imagen: TDK)

También conviene tener en cuenta el capacitor de entrada del SCC/HSC. Funciona con un riel de 48 V, por lo que requiere una tensión nominal de 100 V para cubrir la tensión del riel más el margen de conmutación. La familia X6S/X7R de 100 V de media tensión de TDK cumple esta función, con tamaños de encapsulado que van desde 1.6 mm × 0.8 mm (EIA 0603) hasta 5.7 mm × 5.0 mm (EIA 2220) y una capacitancia de hasta 10 µF.

El modelo C3216X6S2A106K160AC es un excelente ejemplo, ya que integra 10 µF en una carcasa compacta de 3.2 mm × 1.6 mm (EIA 1206). Este componente destaca por su densidad de carga (µF × V por unidad de volumen), que es considerablemente superior a la de muchos capacitores electrolíticos utilizados en aplicaciones similares y supera a la de cualquier otro componente analizado en este artículo.

Además, ofrece una ESR muy baja, inferior a 3 mΩ en el rango de 100 kHz a 2 MHz (Figura 8), lo cual es varios órdenes de magnitud inferior a la de un capacitor electrolítico de aluminio convencional comparable. Esto permite que el MLCC filtre la ondulación de entrada a frecuencia de conmutación con una caída de tensión y un calentamiento propio mínimos.

Figura 8: El C3216X6S2A106K160AC mantiene su ESR por debajo de los 3 mΩ en el rango de 100 kHz a 2 MHz. (Fuente de la imagen: TDK)

Conclusión

A medida que el consumo energético de los racks de IA sigue aumentando, la selección de los componentes toma cada vez más importancia. Los MLCC de alta tensión y alta densidad permiten a los diseñadores mejorar la eficiencia, reducir el espacio ocupado y adaptarse a las arquitecturas en constante evolución que se utilizan en las fuentes de alimentación y los IBC modernos. La amplia gama de productos de TDK ofrece a los diseñadores la flexibilidad necesaria para dar respuesta a estos requisitos en una gran variedad de arquitecturas de sistemas de alimentación.