[Tech Report] 완전 적재 가능 eFuse로 증가하는 서버 전력 요구 충족

[텍사스인스트루먼트=리테시 오자 (Ritesh Oza)] 데이터 수요가 증가함에 따라 서버와 데이터 센터 증설이 지속적으로 이뤄지고 있다. 업계에서는 서버와 데이터 센터의 지속적인 증설로 증가하는 전력 수요가 문제가 될 수 있다고 전망하고 있다.

업계에 따르면 2020년 4Kw에 불과했던 랙당 전력이 2025년에 최대 20kW가 될 것으로 예상된다. 

데이터 센터 및 서버에서 사용 가능한 물리적 공간이 제한점이라는 점을 고려할 때 밀집된 공간에서 더 많은 전력을 공급하는 것은 서버 전력 아키텍처에서 필수적인 요구사항이다. 이를 통해 서버 전원 공급장치의 효율성을 높이면 냉각 비용도 낮출 수 있다.

우리 주변의 모든 것은 많은 데이터를 필요로 하며, 데이터를 통해 이뤄진다. 이 모든 데이터는 데이터 센터의 서버에 의해 저장, 처리된다. 

서버는 보통 서로 다른 처리 요구 사항을 충족하고 높은 시스템 성능을 유지하기 위해 확장 및 핫스왑이 가능하다. 원활한 핫스왑 기능성을 위해 서버 마더보드와 배전반은 핫스왑 컨트롤러 또는 eFuse를 사용한다.

서버 전원 공급장치의 eFuse와 같은 구성 요소는 증가한 서버 전력 요구 사항을 충족하려면 제공하는 전류량을 늘려야 한다. 핫스왑과 eFuse 등의 보호 장치 또한 서버의 최신 마이크로프로세서의 뛰어난 피크 처리 능력에 맞추려면 높은 피크 전류를 처리해야 한다. 그림 2는 일반적인 서버 전원 아키텍처에 대해 보여준다.

전통적으로, 고전력 서버 설계에는 여러 개의 MOSFET이 탑재된 핫스왑 컨트롤러가 포함된다. 그러나 서버 전력과 전력 밀도 요구 사항은 기하급수적으로 증가하고 있어 이러한 요구를 충족시키고 이러한 설계를 간소화하려면 서버 전원 아키텍처에 피크 전류가 80A인 TPS25985 및 PMBus 인터페이스 사용 시 피크 전류가 60A인 TPS25990 eFuse 등의 사용이 필요하다.

TPS25985 및 TPS25990은 60ADC 및 50ADC를 각각 지원할 수 있으며, 조절 가능한 전류 제한도 각각 최대 60A와 50A이다. 더 높은 전류를 달성하기 위해 여러 개의 TPS25985 및 TPS25990 eFuse를 적재 가능하다.

◆ 높은 전력 밀도 달성

전력 밀도는 최신 서버 전원공급장치(PSU)의 필수 요구 사항이다. 최신 세대의 서버 PSU는 3kW(12V일 때 250A)의 전력 정격 범위에 있다. eFuse를 선택하면 가장 작은 크기로 가장 높은 전류를 달성하는 것이 중요하다. TPS25985는 4.5mm x 5mm 패키지에 80A의 피크 전류를 제공한다.

TPS25985 및 TPS25990 eFuse는 MOSFET, 전류 모니터, 비교기, 능동 전류 공유기, 온도 모니터를 통합하여 인쇄회로기판(PCB) 또는 인쇄배선판(PWB)의 전체 면적을 크게 줄여준다. 여러 개의 TPS25985 및 TPS25990 eFuse를 연결하면 보드 절약과 전력 밀도를 몇 배 개선할 수 있다. 그림 4는 TPS25985 및 TPS25990의 전류 밀도를 시중의 다른 eFuse와 비교하여 보여주고 있다.

◆ 전류 공유와 전류 모니터의 정확도

핫스왑 컨트롤러는 병렬 MOSFET의 게이트를 매우 정확하게 제어할 수 없다. 따라서 병렬 MOSFET에 의해 공유된 전류 정보는 정확하지 않다. 정밀 증폭기는 전류 공유와 전류 모니터의 높은 정확도를 달성하는 데 도움이 될 수 있지만 정밀 증폭기를 추가하면 전체 솔루션 크기가 증가한다. MOSET의 다이 온도를 측정하는 것은 어려운 일이므로, 과도 상태와 정상 상태 조건에서 MOSET의 열 보호를 보장하는 것은 불가능하다. 그림 5는 TPS25985의 주요 핀과 기능을 강조하고 있다.

TPS25985 및 TPS25990 eFuse는 능동 전류 공유와 MOSFET다이 매개변수(전압, 전류, 온도)에 대한 직접 액세스를 통합하여 병렬로 연결된 모든 eFuse 게이트에 대한 정확한 제어와 통합 FET에 대한 정확한 다이 온도 모니터링이 가능하다. 능동 전류 공유가 없는 eFuse와 비교하여, TPS25985 및 TPS25990를 사용하면 설계 엔지니어들이 eFuse의 개수와 시스템의 성능을 최적화할 수 있다.

통합 전류 모니터는 PSYS/PROCHOT를 사용해 서버 플랫폼의 전원 관리를 개선하여 플랫폼의 연산 처리량과 전원 공급장치 활용도를 극대화한다. 이러한 기능은 프론트 엔드 AC-DC 전원 공급장치를 최적화하고 이에 따라 시스템 비용을 최적화하는 데 도움이 된다. 또한 조절 가능한 과도 전류 블랭킹 타이머는 골칫거리인 트리핑을 방지하여 시스템 안정성과 총 가용성을 향상시킨다.

◆ 원격 모니터링 및 제어

TPS25990는 시스템에 PMBus 인터페이스 기능을 더해준다. TPS25990 은 시스템 설계 엔지니어들이 원격으로 시스템을 시퀀싱하고 재설정할 수 있는 조절 가능한 턴온(turnon) 지연으로 단일 명령 전원 사이클링을 지원한다. TPS25990은 또한 7개의 이벤트를 해당 타임스탬프와 함께 기록하는 블랙박스 기능을 제공한다. 

TPS25990은 디지털 오실로스코프를 모방하여 사용자가 선택한 신호 하나를 플로팅 할 수 있는 고속 아날로그-디지털 컨버터를 통합했다. TPS25990용 GUI는 다른 기능과 더불어 설계 엔지니어가 총 개발 시간을 줄이고 재설계 및 해결이 어려운 현장 문제를 신속하게 파악하고 해결할 수 있도록 도와준다.

◆ 발열 관련 고려 사항

서버 전원 시스템은 작동 온도 범위는 –40ºC에서 85ºC 사이로 넓다. 핫스왑 컨트롤러 또는 eFuse는 주변 온도가 훨씬 더 높기 때문에 전원 설계 엔지니어들은 소형 패키지에 높은 전류를 제공할 때 이러한 디바이스의 열 성능에 대해 우려하게 된다.

TPS25985 및 TPS25990 eFuse는 125ºC의 접합 온도에서 작동할 수 있어 이러한 우려를 해소한다. TPS25985 및 TPS25990은 각각 0.59mΩ 및 0.79mΩ의 RDS(on)를 제공한다. 프로세스, 전압 및 온도 변동에 걸친 RDS(on) 확산은 제한적이다. 따라서 이러한 eFuse는 정격 감소를 희생하지 않으면서 자체 발열이 매우 낮고 넓은 작동 온도 범위를 제공한다. 그림 6은 TPS25985의 케이스 온도를 보여준다.

설계 엔지니어들은 서버 전원 아키텍처에 TPS25985 및 TPS25990 eFuse를 사용하여 개발 시간과 설계 비용을 줄일 수 있다. eFuse의 낮은 RDS(on)는 시스템의 전력 손실을 줄여주어 데이터 센터의 효율성 목표를 달성하는 데 도움이 된다.

향상된 전력 밀도는 데이터 센터 처리 기능을 개선하고 최종 사용자에게 데이터로 연결된 장치에서 원활한 서비스를 제공한다. eFuse의 향상된 진단, 확장 및 구성 기능은 데이터 센터의 다운타임을 최소화하여 서비스 연속성을 유지하고 고객에게 높은 비율의 업타임을 보장할 수 있도록 도움을 준다.