Selección de componentes para la detección de corriente de amplio rango y transitorios rápidos en centros de datos de IA

Medir el flujo de corriente entre una fuente de alimentación y una carga, ya sea un motor, una placa de circuito o un rack, es un requisito cada vez más importante a nivel de sistema que permite optimizar la potencia a nivel del sistema y del subsistema. Si bien los componentes para circuitos de detección de corriente están bien establecidos en diversas configuraciones, el crecimiento de los centros de datos de inteligencia artificial (IA) ha hecho que esta función sea más difícil. Los niveles de corriente son más altos y abarcan un amplio rango dinámico, con transiciones rápidas entre los niveles mínimo y máximo que deben medirse con precisión.

Cumplir estos requisitos más exigentes requiere una cuidadosa selección de componentes analógicos y de señal mixta dentro de las topologías de circuito establecidas.

Este artículo analiza la necesidad de la detección de corriente y los desafíos que plantean los centros de datos de IA. Luego ofrece un resumen de un diseño de circuito y examina el uso de componentes analógicos/de señal mixta comerciales de Analog Devices que pueden aplicarse para abordar estos desafíos.

Establecer objetivos a nivel de sistema

Aunque cada centro de datos de IA es diferente, existen pautas generales que pueden utilizarse para establecer los requisitos de detección de corriente a nivel de sistema, entre ellos:

• Corriente máxima del sistema: un kiloamperio (kA), distribuido entre múltiples placas de circuito, cada una con múltiples unidades de procesamiento gráfico (GPU)
• Rango dinámico de lectura: superior a 90 decibelios (dB)
• Resolución del ADC: al menos 16 bits, con preferencia por 18 a 20 bits
• Linealidad: ½ bit menos significativo (LSB) en el nivel de 16 bits; no linealidad integral inferior a ±8 partes por millón (ppm)
• Tiempo de establecimiento: menos de 50 nanosegundos (ns) en el nivel de 16 bits

Dimensionamiento de la resistencia de detección

Una de las primeras tareas de diseño es dimensionar la resistencia de detección de corriente para que coincida con las especificaciones de cada placa. Por ejemplo, consideremos una placa de circuito que consume un máximo de 3 A con ocho GPU AMD Radeon, o aproximadamente entre 375 mA y 400 mA por GPU. Esta corriente se divide de manera aproximadamente uniforme entre los rieles de 1,8 V y 0,9 V, por lo que la corriente que debe detectarse en cada riel es de unos 200 mA a escala completa (FS).

La práctica responsable de ingeniería en este escenario indica que una caída de voltaje de aproximadamente 50 mV es la caída máxima aceptable, o voltaje de carga, a través de la resistencia de detección de corriente. Utilizando la ley de Ohm, esto corresponde a una resistencia máxima de 250 mΩ. Una buena opción que proporciona margen de sobrecarga adicional y reduce la pérdida es 100 mΩ.

Una vez conocida la tensión FS de la resistencia de detección, el resto del diseño y la selección de componentes pueden continuar. Con una corriente FS de 200 mA a través de la resistencia de derivación de 100 mΩ, el voltaje FS en esa resistencia que debe capturarse y amplificarse es de 20 mV.

Un esquema simplificado del circuito (Figura 1) muestra cuatro funciones principales:

• Un amplificador de instrumentación (in-amp) para detectar, acondicionar y escalar el pequeño voltaje desarrollado a través de la resistencia de detección (R_sense)
• Un amplificador diferencial que acepta la salida del amplificador de instrumentación y la acondiciona para el conversor de analógico a digital (ADC)
• Un ADC que digitaliza la señal con alta precisión, alta resolución y bajo ruido
• Una referencia de voltaje de precisión para el ADC

Figura 1: un diagrama esquemático simplificado muestra las funciones críticas en la cadena de señal desde la resistencia de detección de corriente hasta la salida digitalizada final. (Fuente de la imagen: Analog Devices)

Detalles del circuito de detección de corriente

El amplificador de instrumentación: Dado el voltaje FS relativamente bajo, la resolución requerida y el probable impacto del ruido interno de los componentes en las lecturas, una opción adecuada de amplificador de instrumentación es el AD8421ARZ. Este amplificador presenta un ruido de voltaje de entrada máximo de 3,2 nV/√Hz y un ruido de corriente de 200 fA/√Hz a 1 kilohertz (kHz) (Figura 2, izquierda). Tiene un ancho de banda máximo de 10 megahercios (MHz), una relación de rechazo en modo común (CMRR) de 94 dB con una ganancia de 1 (G = 1) y una ganancia plana frente a la frecuencia hasta la frecuencia de caída (Figura 2, derecha).

Figura 2: El amplificador de instrumentación AD8421ARZ ofrece bajo ruido de corriente (izquierda) y ganancia plana frente a la frecuencia hasta la frecuencia de caída (derecha). (Imagen de Analog Devices)

Con la ganancia ajustada a 10 V/V mediante Rgain de 1,1 kΩ, la salida es de 200 mV pico a pico (V_P-P) y se mantiene el ancho de banda completo de 10 MHz a 3 dB. El ruido referido a la entrada del amplificador en este ancho de banda supera al del ADC posterior.

El amplificador diferencial: El siguiente paso es acondicionar la señal amplificada de la resistencia de detección para que pueda interactuar con la interfaz del ADC. Para esta función, el amplificador/controlador ADC totalmente diferencial ADA4945-1ACPZ-R7 es una buena opción. Presenta una deriva de compensación de ±0,1 µV/°C, lo que es fundamental para la estabilidad y un rendimiento uniforme. La señalización diferencial minimiza los efectos del ruido y mantiene el rendimiento en presencia de voltajes en modo común.

Con una ganancia de uno, el ADA4945-1ACPZ-R7 tiene un ancho de banda de señal pequeña de 80 MHz en modo de baja potencia y de 145 MHz en modo de potencia completa, según seleccione el usuario. También presenta bajo ruido de voltaje y de corriente, así como un tiempo de establecimiento rápido (Figura 3), lo que garantiza una adquisición precisa de señales que cambian rápidamente.

Figura 3: El rápido tiempo de establecimiento del ADA4945-1ACPZ-R7 permite la adquisición precisa de señales que cambian rápidamente. (Fuente de la imagen: Analog Devices)

Ajustar la ganancia del ADA4945-1ACPZ-R7 a 7,02 V/V hace coincidir su rango de salida con el rango de entrada de la siguiente etapa, optimizando el rendimiento y minimizando la contribución del ruido.

El ADC: La digitalización de la señal de voltaje que representa la corriente detectada es el objetivo general a nivel de sistema, y la implementación de esa función corresponde al ADC. El AD4084BBCZ-RL7 (Figura 4) es una buena opción en este caso. Este ADC de registro de aproximaciones sucesivas (SAR) altamente integrado ofrece bajo ruido (8,8 nV/√Hz), baja potencia (80 milivatios (mW) a 40 megamuestras por segundo (Msamples/s)), alto rango dinámico (94,6 dB) y excelente linealidad típica de ±4 partes por millones (ppm). También incluye un búfer de datos de resultados de 16 kilomuestras primero en entrar, primero en salir (FIFO) con detección de eventos, lo que reduce en gran medida la carga inmediata sobre el host digital.

Figura 4: Las funciones integradas del ADC SAR AD4084BBCZ-RL7 reducen la necesidad de circuitos de soporte externos. (Fuente de la imagen: Analog Devices)

Las funciones Easy Drive del AD4084BBCZ-RL7 reducen la complejidad de la cadena de señal y el consumo de potencia, al tiempo que permiten una mayor densidad de canales y flexibilidad en la selección de componentes complementarios. Su menor requisito de ancho de banda también permite el uso de controladores de menor potencia.

La referencia de voltaje: Algunos ADC incluyen una referencia interna, que puede ser bastante buena. Sin embargo, una referencia de voltaje independiente, como una versión de 3 V del LTC6655, es una mejor opción para obtener un rendimiento preciso, estable y uniforme de la cadena de señal.

El LTC6655 presenta Ruido 1/f inferior a 625 nV pico a pico (nV_P-P) (Figura 5, izquierda), deriva térmica inferior a 2 ppm/°C (Figura 5, derecha) y precisión absoluta de ±0,025 %. Como resultado, proporciona una referencia precisa y estable para toda la cadena de señal de medición de corriente.

Figura 5: La referencia de voltaje LTC6655 combina un ruido extremadamente bajo (izquierda) con una deriva térmica extremadamente baja (derecha) para ofrecer un rendimiento de precisión. (Imagen: Analog Devices)

Optimización del diseño

Todo diseño equilibra factores como el rendimiento, el espacio en la placa, el consumo de potencia y el costo, y este diseño no es una excepción. Otro factor es el rango dinámico. El circuito, tal como se muestra, ofrece un rango dinámico superior a 60 dB y un ruido referido a la entrada de aproximadamente 200 µA, lo cual es bueno, pero aún está por debajo del objetivo original de 90 dB.

Entre las medidas que pueden tomarse para aumentar esta cifra se encuentran disminuir la ganancia del front-end en el amplificador de instrumentación AD8421ARZ y aumentar el filtro digital integrado (decimación) disponible en el ADC por un factor de cuatro o incluso de ocho, lo que incrementará el rango dinámico en 6 dB y 12 dB, respectivamente, pero a costa de la velocidad de conversión.

Este cambio de ganancia no requiere reemplazar el hardware. En su lugar, la conmutación de ganancia puede implementarse en el AD8421ARZ mediante un interruptor analógico, como el multiplexor de 4 canales ADG5404FBRUZ-RL7, que presenta una resistencia en estado encendido típica de 10 ohmios (Ω).

Sin embargo, los interruptores analógicos tienen componentes parásitos inherentes, como la resistencia en estado encendido mencionada y otras no linealidades, que los hacen menos adecuados para mediciones de alta precisión. Su rendimiento en este sentido tendría que evaluarse mediante un modelado y una simulación cuidadosos de la cadena de señal. Por esta razón, utilizar un ADC de bajo ruido y amplio rango dinámico, como el AD4084BBCZ-RL7 sin rango de ganancia, puede ser la mejor opción porque simplifica la cadena de señal y elimina fuentes de error.

Para aplicaciones en las que el espacio es muy limitado o la lista de materiales (BOM) debe minimizarse, el AD4884BBCZ-RL (Figura 6), más altamente integrado, es una alternativa al ADC AD4084BBCZ-RL7. Este ADC SAR de 16 bits, de doble canal, bajo ruido, baja potencia y alta velocidad incluye controladores de amplificador totalmente diferencial (FDA) y resistores de ajuste de ganancia.

Figura 6: El ADC AD4884BBCZ-RL es una alternativa al AD4084BBCZ-RL7 que ayuda a reducir el espacio en la placa y el costo de la BOM. (Fuente de la imagen: Analog Devices)

Sus dos canales pueden muestrearse de forma simultánea o independiente, lo que ofrece flexibilidad para una amplia gama de aplicaciones. Optimizado para señales de entrada de hasta 1 MHz, el AD4884BBCZ-RL presenta una linealidad excepcional y un consumo de potencia extremadamente bajo, lo que lo convierte en una alternativa viable para muchos sistemas de adquisición de datos de precisión.

Conclusión

La detección precisa de corriente en centros de datos de IA requiere una cadena de señal capaz de manejar alta corriente, un amplio rango dinámico y transiciones rápidas de carga. Un diseño satisfactorio requiere una cuidadosa selección de componentes y la optimización de la cadena de señal para equilibrar precisión, ruido, tiempo de respuesta, espacio en la placa, consumo de potencia y complejidad del circuito. Analog Devices ofrece amplificadores de instrumentación, controladores ADC diferenciales, ADC SAR, referencias de voltaje y alternativas integradas para implementar las funciones requeridas.