So schützt man Schaltkreise in Blade-Rechnern Zu viel Strom gefährdet Server

Autor / Redakteur: Bharat Shenoy / Ulrike Ostler

Wie bringt man eigentlich eine Sicherung gegen Überspannung am Blade an? Die Frage stellt sich umso mehr als die Leistungsdichte pro Rechner und Rack steigt – schon heute können es 1.000 Watt sein – die Betriebsspannung aber sinkt.

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Ein Blade-Server-Chassis bietet mehreren Blade-Servern Platz und sorgt beispielsweise für die Kühlung, den Netzwerkanschluss, verschiedene Schaltverbindungen und das Management.
Ein Blade-Server-Chassis bietet mehreren Blade-Servern Platz und sorgt beispielsweise für die Kühlung, den Netzwerkanschluss, verschiedene Schaltverbindungen und das Management.
(Bild: Littelfuse/Shutterstock)

Ein Blade-Server ist im Grunde genommen eine Leiterplatte, auf der eine Vielzahl von Komponenten wie beispielsweise Prozessoren, Speicher und Netzwerkverbindungen untergebracht sind, die sich in der Regel auf mehreren Platinen befinden. Durch das rasante Wachstum mobiler Anwendungen und die zunehmende Verwendung von „Software as a Service“-Lösungen (SaaS) ist es wichtiger als je zuvor Blade-Server, die Daten in der Cloud speichern, zu schützen und ihren effizienten Betrieb sicherzustellen.

Um dies zu erreichen, ist es zunächst notwendig Beschädigungen durch Überstrom zu vermeiden. Denn diese verkürzen die Lebensdauer der Blade-Server und stören den Betrieb von Datenzentren.

Die Leistungsdichte steigt

Ein Faktor, der den Schutz von Blade-Servern erschwert, ist der Trend hin zu einer immer stärkeren Konzentration der Rechenleistung pro Blade. Während Blades in der Vergangenheit in der Regel mit einer maximalen Leistung von 200-400 Watt betrieben wurden, häufen sich mittlerweile Leistungen pro Blade von 600-800 Watt und manchmal sogar 1.000 Watt.

Die Tendenz zu einer Erhöhung der Leistung hat sich parallel zu einem Trend hin zu einer Senkung der Betriebsspannung der Blades entwickelt, wodurch eine Reduzierung der DC-DC-Umwandlungskosten (DC = Direct Current, Gleichstrom) sowie von Wirkungsgradeinbußen innerhalb des Stromverteilungssystems der Datenzentren erreicht werden soll.

Bei einigen beliebten Bauformen liegt eine typische niedrige Anschlussspannung bei 12 Volt DC, was für einen Eingangsstrom von über 80 Ampere pro Blade ausreicht. Wer die Schaltkreise eines Blades plant, steht vor der Herausforderung den Schutz gegen Überstromereignisse auf kostengünstige, zuverlässige, sichere und machbare Weise zu gewährleisten, so dass keine kostenintensiven Hardware-Schäden oder Ausfallzeiten für Wartungsarbeiten entstehen.

Die Hot-Swap-Steuerschaltkreise

Da Blades für Wechsel im laufenden Betrieb („hot swap“) ausgelegt sind – das heißt, dass es dem Wartungspersonal bei laufender Hauptstromversorgung möglich, ist die Blades aus dem Chassis zu nehmen und neue einzuschieben – verfügen sie über einen integrierten Hot-Swap-Steuerschaltkreis.

Die oberflächenmontierbare, extrem schnelle "NANO2"-Kleinstsicherung der 456er Baureihe ist in einer Nennleistung von bis zu 40A verfügbar. Trotz ihrer geringen Baugröße (12mm x 4,5mm x 4,5mm) bietet die 40A-Sicherung der 456er Baureihe eine Unterbrechungsleistung von bis zu 600A bei 60VDC in Verbindung mit einem extrem hohen Schmelzwert I2t von 454A2s.
Die oberflächenmontierbare, extrem schnelle "NANO2"-Kleinstsicherung der 456er Baureihe ist in einer Nennleistung von bis zu 40A verfügbar. Trotz ihrer geringen Baugröße (12mm x 4,5mm x 4,5mm) bietet die 40A-Sicherung der 456er Baureihe eine Unterbrechungsleistung von bis zu 600A bei 60VDC in Verbindung mit einem extrem hohen Schmelzwert I2t von 454A2s.
(Bild: Littlefuse)

Dieser integrierte Schaltkreis ist die wichtigste Vorrichtung zur Vermeidung von Störungen, indem sie zunächst Überstrom-Ereignisse sowie andere Störungen erkennt und anschließend einem MOSFET(= Metall-Oxid-Halbleiter-Feldeffekttransistor) signalisiert die Stromversorgung der Platine abzustellen.

Dies soll verhindern, dass angrenzende Blades innerhalb eines Chassis durch eine Unterspannungssperrung ausfallen. Ein Kurzschluss kann dazu führen, dass die Spannung der Betriebsspannungsleitung der Verdrahtungsplatte aufgrund einer Regelabweichung abfällt. Darüber hinaus soll eine Beschädigung des von der Störung betroffenen Blades beziehungsweise der Verdrahtungsplatte vermieden werden.

Vorsicht bei Leiterzügen und Steckverbindungen

Kritische Komponenten innerhalb dieses Systems sind die Leiterzüge und Steckverbindungen der Verdrahtungsplatte sowie der Stecker für die Stromversorgung der Platine. Insbesondere eine Beschädigung der Verdrahtungsplatte kann dabei problematisch sein, da dies zum Verlust eines gesamten Chassis innerhalb eines Rechenzentrum führen kann.

Zur Absicherung des primären Schutzes über den integrierten Hot-Swap-Steuerschaltkreis ist ein sekundärer Schutz mithilfe physischer Sicherungen erforderlich. Diese physischen Sicherungen bieten im Falle einer Beschädigung des MOSFET oder des Schaltkreises während eines Störungszustandes einen unabhängigen Back-up-Schutz des integrierten Schaltkreises gegen Überstrom-Störungen.

Um so viele Blade-Server wie möglich in einem standardmäßigen 19-Zoll-Chassis unterzubringen, müssen die Blades möglichst dünn sein, weshalb die Verwendung von Oberflächen-montierbaren Sicherungen mit einem niedrigen Profil wichtig ist. Allerdings produziert derzeit kein Hersteller eine 60 Ampere- oder 80 Ampere-fähige elektronische Sicherung zur Oberflächen-Montage.

Parallele Schaltung

Um den Eingangsstrom des Blades voll zu unterstützen, muss ein Planer von Schutzvorrichtungen des Blade-Schaltkreises zwei oder mehr Sicherungen parallel schalten. Aber dies auf sichere Weise zu bewerkstelligen, kann bei Anwendungen mit sehr starkem Strom kompliziert sein.

Die derzeit stärkste SMT-Sicherung auf dem Markt ist für eine Nennleistung von 40 Ampere ausgelegt. Um genaue Derating-Berechnungen durchzuführen und das erforderliche Derating beim Parallelschalten von Sicherungen zu berücksichtigen, würde ein Schaltkreisplaner insgesamt rund 150 Ampere Strom-Nennleistung aus den Sicherungen oder vier parallel geschaltete 40-Ampere-Sicherungen benötigen.

Darüber hinaus müssen sich die Planer von Schaltkreisen damit befassen, wie sich die Sicherungen verhalten und wie der Strom zwischen ihnen fließt, denn bereits kleine Unterschiede beim Widerstand der Sicherungen sorgen dafür, dass die Strombelastung der einzelnen Sicherungen unterschiedlich stark ist.

Was passiert beim Kurzschluss?

Außerdem müssen sie verstehen, wie das von ihnen geschaffene Sicherungssystem im Falle eines Kurzschlusses reagiert. Um eine hohe Zuverlässigkeit des Systems zu garantieren, ist es wichtig, dass die physischen Sicherungen nicht auslösen, bevor der integrierte Hot-Swap-Steuerschaltkreis die erforderliche Zeit hat die Stromzufuhr der Platine zu unterbrechen.

Die 30A-Version der "NANO2"-Sicherung der 463er Baureihe kombiniert einen kompakten Formfaktor (10,1mm x 3,12mm x 3,12mm) mit einer Unterbrechungsleistung von bis zu 100A bei VAC in Verbindung mit einem extrem hohen Schmelzwert I2t von 916A2s.
Die 30A-Version der "NANO2"-Sicherung der 463er Baureihe kombiniert einen kompakten Formfaktor (10,1mm x 3,12mm x 3,12mm) mit einer Unterbrechungsleistung von bis zu 100A bei VAC in Verbindung mit einem extrem hohen Schmelzwert I2t von 916A2s.
(Bild: Littlefuse)

Die Planer von Schutzvorrichtungen für Schaltkreise können mehrere Sicherungen auf sichere Weise parallel schalten, um so die Strombelastbarkeit eines Blades zu erhöhen, wenn sie die nachfolgenden Punkte beachten:

  • Wenn Sicherungen parallel gesetzt werden, müssen sie über die identische Nennstromstärke und dieselbe Nennspannung verfügen. Die maximale Abschaltspannung für die Parallelschaltung entspricht der Abschaltspannung einer einzelnen Sicherung. Der maximale Abschaltstrom entspricht mindestens dem einzelnen maximalen Abschaltstrom.
  • Parallel geschaltete Sicherungen teilen den Laststrom im umgekehrten Verhältnis zur Anzahl der verwendeten Sicherungen. Aber da die Widerstände der einzelnen Sicherungen nicht exakt identisch sind, gibt es bei dem Strom, der auf den einzelnen Sicherungen lastet, Abweichungen.
  • Aufgrund der bei der Produktion aller Arten von Bauteilen unausweichlichen Schwankungen empfiehlt Littelfuse zum Ausgleich dieses Effekts einen Derating-Faktor von mindesten 20 Prozent auf die Nennleistung der einzelnen Sicherungen anzuwenden. (Dieser Derating-Faktor sollte zusätzlich zu allen weiteren empfohlenen Derating-Faktoren Anwendung finden.)
  • Um sicherzustellen, dass die einzelnen Sicherungen keine Temperaturunterschiede aufweisen, ist sowohl in Bezug auf die Außentemperatur als auch auf die normale Betriebstemperatur eine genaue Temperaturüberwachung erforderlich. Es ist zu gewährleisten, dass alle Sicherungen demselben Luftstrom ausgesetzt sind und über einen vergleichbaren Wärmeleitmechanismus an den Zuleitungsdrähten oder den Sicherungsklemmen verfügen.

Das Schmelzintegral

Es muss immer beachtet werden, dass das Schmelzintegral (I²t) um die quadrierte Anzahl an Sicherungen in der Parallelschaltung zunimmt. Werden beispielsweise zwei Sicherungen mit einem

I²t = 3,5A²s

parallel verwendet, so liegt der effektive

I²t bei 3,5A²s x 2² = 14A²s

Wenn drei verwendet werden, ergibt sich

I²t = 3,5A²s x 3² = 31,5A²s

Die nächste Generation von Lösungen zum Schutz von Schaltkreisen in Blade-Rechnern

Bisher hat noch niemand 60 Ampere- oder 80 Ampere-fähige elektronische Sicherungen zur Oberflächenmontage entwickelt, die für sekundäre Schutzvorrichtungen von Blade-Servern geeignet sind. Aber unter Beachtung angemessener Vorsichtsmaßnahmen können Produktdesigner zwei oder mehr auf höhere Stromstärken ausgelegte Sicherungen parallel schalten, um den Anforderungen eines Blades in Bezug auf den Eingangsstrom gerecht zu werden. Nachfolgend sind einige neuere Optionen für derartige Anwendungen dargestellt.

Um mehr über die sichere Auswahl und Verwendung von Sicherungen zum Schutz von Schaltkreisen in Hochstromanwendungen zu erfahren, können Sie eine kostenlose Kopie von Fuseology: Fuse Characteristics, Terms and Consideration Factors von Littelfuse herunterladen.

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