В современном мире, управляемом данными, стабильная работа центров обработки данных является краеугольным камнем всех цифровых услуг. От финансовых транзакций до облачных вычислений и обучения моделей ИИ, любое неожиданное отключение электроэнергии может привести к миллионным убыткам и неисчислимому репутационному ущербу. Именно в этом стремлении к "безотказной" надежности плата резервного питания от батареи (BBU PCB) стала незаменимым стражем в архитектурах электропитания центров обработки данных. Это не просто печатная плата, а последняя линия обороны, обеспечивающая непрерывность бизнеса и защиту критически важных данных. Однако проектирование и производство высокопроизводительной платы резервного питания от батареи — непростая задача. Она должна пропускать сотни ампер тока в компактном пространстве, управлять точной зарядкой и разрядкой аккумуляторных батарей, обрабатывать высокоскоростные сигналы мониторинга и рассеивать значительное тепло. Это требует от разработчиков достижения идеального баланса между целостностью питания, целостностью сигнала, тепловым управлением и физической компоновкой. Являясь ведущим поставщиком решений для печатных плат, Highleap PCB Factory (HILPCB) использует многолетний технический опыт для изучения сложностей систем электропитания центров обработки данных, поставляя передовые продукты для печатных плат, сочетающие надежность и производительность. В этой статье будут рассмотрены основные проблемы проектирования и передовые решения для плат резервного питания от батареи, помогая вам ориентироваться в высокоскоростном и высокоплотном будущем оборудования центров обработки данных.

Что такое плата резервного питания от батареи и почему она критически важна для центров обработки данных?

Плата резервного питания от батареи, или печатная плата блока резервного питания от батареи, является основным компонентом систем бесперебойного питания (ИБП) или резервного питания на уровне стойки в центрах обработки данных. Ее основная функция заключается в бесперебойном переключении на питание от батареи в течение миллисекунд во время сбоя или колебания сетевого питания, обеспечивая непрерывное и стабильное питание серверов, хранилищ и сетевого оборудования до тех пор, пока не активируются резервные генераторы или не будет восстановлено сетевое питание. В отличие от обычных плат питания, BBU PCB выполняют гораздо больше функций, чем простая передача энергии. Это сложные микросистемы, обычно интегрирующие следующие функции:

1. Переключение пути питания: Высокоскоростные, сильноточные коммутационные схемы (обычно использующие MOSFET или реле) обеспечивают плавные переходы между сетевым и аккумуляторным питанием, избегая провалов или скачков напряжения.
2. Система управления батареями (BMS): Отслеживает напряжение, ток, температуру и состояние здоровья (SoH) аккумуляторной батареи, выполняя точное управление зарядом и разрядом для продления срока службы батареи и обеспечения безопасности.
3. Связь и мониторинг: Обменивается данными с главным системным контроллером по протоколам, таким как I2C, PMBus или CAN, сообщая о состоянии питания и данных батареи в реальном времени. Это делает ее ключевой частью экосистемы плат мониторинга центров обработки данных.
4. Защитные цепи: Интегрирует защиту от перегрузки по току (OCP), защиту от перенапряжения (OVP), защиту от перегрева (OTP) и защиту от короткого замыкания (SCP) для предотвращения повреждения батарей или нижестоящих нагрузок в ненормальных условиях.

В современных архитектурах центров обработки данных BBU PCB часто интегрируются в Power Shelf PCB или работают напрямую с PDU PCB (Power Distribution Unit PCB) для обеспечения надежного резервного питания для целых стоек. Их важность заключается в прямом определении способности центра обработки данных реагировать на сбои питания, что делает их критически важной технической защитой для достижения целевых показателей доступности 99,999% (пять девяток).

Получить расчет стоимости печатной платы

Проблемы проектирования целостности питания (PI) при высоких токах и высокой плотности

Одной из наиболее серьезных проблем для печатных плат резервного питания (BBU) является поддержание отличной целостности питания (PI) при экстремально высоких плотностях тока. Когда потребляемая мощность серверных стоек достигает десятков киловатт, печатные платы BBU должны выдерживать мгновенные токи до сотен ампер. Любой незначительный дефект конструкции может привести к значительным падениям напряжения, перегреву или даже отказу системы.

Оптимизация сети распределения питания (PDN)

PDN имеет решающее значение для эффективной и без потерь передачи тока от входа питания к нагрузке (например, материнским платам серверов). При проектировании печатных плат BBU основная цель оптимизации PDN — минимизация импеданса.

• Технология толстой и сверхтолстой меди: Стандартные печатные платы обычно используют медную фольгу толщиной 1 унция (oz) или 2 унции. Для печатных плат BBU обычно используются печатные платы с толстой медью со слоями меди толщиной от 4 до 10 унций или толще. Более толстая медь значительно снижает сопротивление постоянному току (падение IR), уменьшает потери мощности и тепловыделение, а также увеличивает токовую нагрузку.
• Проектирование плоскостей питания и заземления: Большие, непрерывные плоскости питания и заземления (вместо узких дорожек) обеспечивают низкоимпедансные пути для высоких токов. Пути обратного тока должны быть тщательно спланированы, чтобы избежать узких мест или чрезмерной длины, что также крайне важно для снижения электромагнитных помех (ЭМП).
• Стратегическое размещение развязывающих конденсаторов: Размещение многочисленных развязывающих конденсаторов (включая объемные электролитические конденсаторы и высокочастотные керамические конденсаторы) рядом с входами питания, коммутационными цепями и нагрузками эффективно подавляет пульсации напряжения и мгновенно реагирует на переходные токовые нагрузки.

Разводка модуля регулятора напряжения (VRM)

VRM преобразуют напряжение батареи (например, 48В) в низкие напряжения, необходимые серверам (например, 12В, 5В, 3.3В). Области VRM являются основными источниками тепла и шума на печатных платах BBU. Их разводка напрямую влияет на эффективность и стабильность. Профессиональные проекты размещают VRM как можно ближе к нагрузкам, сокращают пути высоких токов и обеспечивают надежное рассеивание тепла и заземление.

Для все более популярных печатных плат микро-ЦОД пространство крайне ограничено, что предъявляет повышенные требования к проектированию PI. Достижение низкоимпедансной PDN в компактных компоновках требует передовых инструментов моделирования для точного анализа падения IR и теплового режима. Инженерная команда HILPCB предоставляет экспертную поддержку DFM (проектирование для технологичности), чтобы помочь клиентам снизить риски на этапе проектирования.

Как сбалансировать сигналы и питание с помощью усовершенствованного дизайна стека слоев?

Сложность проектирования печатных плат резервного питания (BBU PCB) заключается в необходимости одновременно обрабатывать два совершенно разных требования: "грубую силу" и "точность". С одной стороны, она должна управлять токами в сотни ампер; с другой — обрабатывать прецизионные сигналы мониторинга милливольтного уровня и высокоскоростные коммуникационные шины. Отличный дизайн стека слоев является ключом к балансированию этих требований.

Типичные стратегии стека слоев многослойных BBU PCB включают:

• Внешние слои, ориентированные на питание: Проектируйте верхний и нижний слои как основные плоскости питания и заземления. Это способствует рассеиванию тепла и использует большие медные площади для передачи высоких токов.
• Изоляция сигналов во внутренних слоях: Прокладывайте высокоскоростные сигналы (например, PMBus) во внутренних слоях, зажатых между двумя непрерывными плоскостями заземления, для формирования стриплайновых или микрополосковых структур. Это обеспечивает четкие обратные пути, контролирует импеданс и защищает от шума от плоскостей питания.
• Ортогональная трассировка: На смежных сигнальных слоях трассы должны располагаться перпендикулярно (например, горизонтально на одном слое, вертикально на следующем), чтобы минимизировать перекрестные помехи.
• Выбор материалов: Для слоев, несущих высокоскоростные сигналы, выбирайте материалы с более низкой диэлектрической проницаемостью (Dk) и тангенсом угла диэлектрических потерь (Df), чтобы уменьшить затухание и искажение сигнала. HILPCB предлагает различные материалы для высокоскоростных печатных плат, адаптированные к конкретным требованиям по скорости и стоимости.

Хорошо спроектированный стек обеспечивает стабильную подачу питания, сохраняя при этом точность функций печатных плат мониторинга центров обработки данных, обеспечивая надежную связь и отклик во всей системе резервного питания.

Ключевые стратегии терморегулирования в печатных платах резервного питания

Тепло является врагом высокопроизводительной электроники, и это особенно актуально для печатных плат резервного питания. Джоулев нагрев (потери I²R) от массивных токов, протекающих по медным дорожкам, в сочетании с теплом от MOSFET, индукторов и VRM, может привести к резкому повышению температуры печатной платы. Если тепло не рассеивается эффективно, это может привести к снижению производительности, ускоренному старению материалов или даже к тепловому разгону и пожару.

Эффективное терморегулирование требует многомерного подхода:

1. Оптимизация токовых путей: Проектируйте кратчайшие и максимально широкие токовые пути, используя технологию толстой меди, чтобы минимизировать тепловыделение в источнике.
2. Использование печатной платы в качестве радиатора: Используйте большие медные плоскости (силовые плоскости) в качестве встроенных радиаторов. Размещайте многочисленные тепловые переходные отверстия рядом с тепловыделяющими компонентами для быстрого отвода тепла к внутренним слоям и противоположной стороне печатной платы, увеличивая площадь охлаждения.
3. Материалы с высокой теплопроводностью: Выбирайте подложки с более высокой теплопроводностью (ТП), такие как платы с высоким Tg, которые сохраняют лучшие механические и электрические свойства при высоких температурах. В экстремальных случаях могут использоваться подложки с металлическим сердечником (IMS) или встроенные медные блоки.
4. Внешние решения для охлаждения: Конструкции печатных плат должны соответствовать системным решениям для охлаждения (например, вентиляторам, радиаторам). Размещение компонентов должно учитывать воздушный поток, чтобы избежать горячих точек от сгруппированных устройств с высоким тепловыделением.
5. Перспективные технологии охлаждения: По мере роста плотности мощности центров обработки данных жидкостное охлаждение набирает обороты. Проектирование печатных плат для иммерсионного охлаждения требует учета совместимости материалов с хладагентами, долговечности поверхностного покрытия и герметичности разъемов. HILPCB активно исследует и поддерживает эту новую технологию для центров обработки данных следующего поколения.

Обеспечение долгосрочной надежности: Производство и испытания по стандартам IPC

Оборудование центров обработки данных должно работать круглосуточно в течение многих лет. Таким образом, надежность печатных плат резервного питания (Battery Backup PCB) не подлежит обсуждению. Это зависит не только от превосходного дизайна, но и от строгих производственных процессов и всестороннего тестирования.

HILPCB придерживается высочайших стандартов IPC (Association Connecting Electronics Industries) для обеспечения качества:

• IPC-A-600 Класс 3: Этот стандарт приемки производства применяется к высокопроизводительной, высоконадежной электронике. Класс 3 требует более жестких допусков, безупречного качества стенок отверстий и меньшего количества дефектов. Для критически важных применений, таких как печатные платы BBU, Класс 3 является базовым.
• Анализ технологичности конструкции (DFM): Перед производством наши инженеры тщательно проверяют конструкции на предмет потенциальных производственных рисков, таких как недостаточные контактные площадки, узкие зазоры между медными дорожками или тонкие мостики паяльной маски, предлагая рекомендации по оптимизации.
• Передовые производственные процессы:
  • Заполнение переходных отверстий: Термические переходные отверстия и переходные отверстия под BGA заполняются смолой или медной пастой и выравниваются для повышения тепловых/электрических характеристик и надежности монтажа SMT.
  • Контроль импеданса: Точный контроль материалов, толщины меди, ширины дорожек и толщины диэлектрика гарантирует, что высокоскоростные сигнальные линии соответствуют проектным целям (обычно 50Ω или 100Ω).
  • Поверхностные покрытия: Рекомендуются ENIG (химическое никелирование с иммерсионным золочением) или ENEPIG (химическое никелирование с химическим палладированием и иммерсионным золочением) для превосходной плоскостности, паяемости и стойкости к окислению.
• Строгое тестирование:
  • 100% электрическое тестирование: Все печатные платы проходят тестирование на обрыв/короткое замыкание с помощью летающего зонда или тестового приспособления.
  • Автоматическая оптическая инспекция (АОИ): Проверяет дефекты внутренних/внешних слоев.
  • Рентгеновская инспекция (AXI): Проверяет выравнивание многослойных плат и качество паяных соединений BGA.
  • Высоковольтные испытания (Hipot): Проверяет изоляционные характеристики при высоком напряжении.

Благодаря этим строгим мерам контроля качества HILPCB гарантирует, что каждая печатная плата резервного питания обеспечивает долгосрочную надежность в требовательных условиях центров обработки данных.

Получить предложение по печатным платам

Применение печатных плат резервного питания в различных архитектурах центров обработки данных

Конструкции печатных плат резервного питания развиваются вместе с архитектурами центров обработки данных.

• Традиционные центры обработки данных: В крупных централизованных объектах блоки резервного питания (BBU) обычно представляют собой устройства уровня стойки или ряда, интегрированные в печатные платы силовых полок, обеспечивающие резервное питание для целых стоек. Эти печатные платы являются крупными, мощными и требуют надежной тепловой и структурной конструкции.
• Граничные вычисления и микро-ЦОДы: Рост граничных вычислений увеличил спрос на печатные платы для микро-ЦОДов. Эти компактные развертывания в условиях ограниченного пространства и переменчивых сред требуют от печатных плат BBU достижения сверхвысокой плотности мощности и эффективности на минимальной площади, доводя интеграцию и тепловое управление до предела.
• Высокоплотные вычисления: В ИИ и HPC (высокопроизводительных вычислениях) мощность одной стойки превышает 100 кВт, что стимулирует внедрение 48-вольтовых архитектур питания. Печатные платы BBU должны адаптироваться к более высоким напряжениям/токам. Тем временем, конструкции, совместимые с печатными платами для иммерсионного охлаждения, становятся незаменимыми для управления экстремальным теплом, требуя, чтобы все материалы и компоненты выдерживали длительное погружение в специализированные хладагенты.

Независимо от применения, печатные платы BBU тесно сотрудничают с печатными платами PDU, образуя полную цепочку подачи питания от сети до чипа. HILPCB предлагает комплексную настройку, от выбора материалов до реализации процессов, адаптированную к разнообразным потребностям.

Как HILPCB обеспечивает успех вашего проекта печатной платы для резервного питания?

Выбор правильного партнера по печатным платам имеет решающее значение для успеха печатных плат для резервного питания. Опытный производитель не только гарантирует качество, но и выступает в роли технического консультанта, снижая риски и оптимизируя затраты на этапе проектирования. HILPCB — именно такой партнер.

Наше ценностное предложение включает:

• Раннее техническое взаимодействие: Мы призываем клиентов консультироваться с нашими инженерами на начальных этапах проектирования. Понимая ваши требования к производительности и условия эксплуатации, мы предоставляем экспертные консультации по проектированию стека, выбору материалов, планированию импеданса и тепловому менеджменту.
• Расширенные технологические возможности: HILPCB справляется со сложными процессами, такими как сверхтяжелая медь 20 унций, многоступенчатые HDI, обратное сверление и встроенные компоненты, отвечая самым высоким требованиям к печатным платам для центров обработки данных.
• Обширная библиотека материалов: Мы сотрудничаем с ведущими поставщиками подложек (например, Rogers, Isola, Panasonic) и храним высокопроизводительные материалы, включая варианты с высоким Tg, низкими потерями и высокой теплопроводностью, гарантируя безупречную работу ваших проектов.
• Приверженность качеству: Наше стремление к качеству охватывает каждый шаг, от проверки сырья до окончательного тестирования продукта. Строгое управление качеством и современное инспекционное оборудование лежат в основе надежности вашей продукции.

При столкновении со сложными задачами, связанными с печатными платами для резервного питания от батарей, инженерная поддержка HILPCB готова помочь. Мы проводим детальные технико-экономические обоснования, чтобы гарантировать, что ваши проекты не только высокопроизводительны, но также экономичны и технологичны.

Заключение

Печатные платы резервного питания являются ключевыми технологиями, обеспечивающими высокую доступность современных центров обработки данных. Их проектирование и производство объединяют силовую, сигнальную, тепловую инженерию и инженерию надежности, представляя огромные вызовы. От управления сотнями ампер с сохранением целостности питания до балансировки высокоскоростных сигналов в многослойных конструкциях и борьбы с экстремальным нагревом — каждый шаг требует глубоких знаний и прецизионного производства.

По мере того как центры обработки данных развиваются в сторону более высокой плотности мощности, вычислительной эффективности и устойчивости, требования к печатным платам резервного питания будут продолжать расти. Сотрудничество с профессиональным, надежным производителем печатных плат, таким как HILPCB, дает вам конкурентное преимущество. Мы превращаем ваши самые сложные проекты в стабильное, высокопроизводительное оборудование, совместно закладывая основу для устойчивого цифрового мира.

Получить предложение по печатным платам

Related links

• печатные платы с толстой медью
• высокоскоростных печатных плат
• платы с высоким Tg
• сборки PCBA под ключ