Messtechnik & EMV Die Leistung im Griff behalten

Stromversorgungseinheiten (PDUs, Power Distribution Units) spielen heute im Computing- und Netzwerkbereich eine wichtige Rolle. Mit mehreren Ausgängen erlaubt diese Rack-montierte Hardware die effiziente Leistungsübertragung in Datenzentren und anderen Kommunikations-Hubs. Der Markt für PDUs wächst rasant und wird durch den Bedarf an immer mehr Rechenleistung, größeren Datenspeichern und höheren Bandbreiten getrieben. Die Analysten bei TechNavio gehen davon aus, dass der weltweite PDU-Markt für Datenzentren im Jahr 2014 einen Wert von 770 Millionen US-Dollar erreicht. Da ein wesentlicher Anteil moderner Stromversorgungs-Infrastrukturen heute durch PDUs abgedeckt wird, sind die Zuverlässigkeit und der Wirkungsgrad dieser Einheiten entscheidend. Strengere Umweltvorschriften schreiben geringere Kohlendioxid-Emissionen vor, was eine Herausforderung für die Betreiber von Datenzentren bedeutet. Die Möglichkeit der genauen Überwachung und Analyse des Stromverbrauchs gewinnt für PDU-Hersteller daher immer mehr an Bedeutung. Denn nur so können die von ihnen gefertigten Stromversorgungseinheiten die Forderungen nach höheren Wirkungsgraden erfüllen, wie sie jetzt schon von Unternehmen wie Google und Yahoo eingehalten werden. Es gibt verschiedene Methoden, den Stromverbrauch jedes Ein-/Ausgangs in einem PDU-System zu messen. Viele davon bringen allerdings hohe technische Herausforderungen mit sich.

Herausforderungen bei der Strommessung

Sensorsysteme zur Überwachung des Stromverbrauchs in PDUs müssen hohen Spannungsspitzen widerstehen. Ebenso können die Systeme gefährlich hohen Einschaltströmen ausgesetzt sein. Somit sind Schutzmaßnahmen erforderlich, die in das Sensordesign mit integriert werden müssen. Da das Platzangebot in Datenzentren begrenzt ist, sind kleine Stellflächen wünschenswert. Auch die Genauigkeit sollte hoch sein. Aus der elektromagnetischen Theorie ist bekannt, dass der elektrische Stromfluss durch einen Leiter ein Magnetfeld um den Leiter erzeugt. Dieses Feld lässt sich durch den Hall-Effekt nachweisen. Die Sensor-Ausgangsspannung ist dabei proportional zum Strom. Hall-Effekt-Sensoren bieten eine kontaktlose Technik zur Überwachung des PDU-Stromverbrauchs, was die Langlebigkeit des Systems verbessert. Herkömmliche Hall-Effekt-Sensorik nimmt allerdings sehr viel Platz auf der Leiterplatte ein und ist relativ teuer. Das Hauptproblem dabei ist, dass die Technik nur auf Magnetfelder reagiert, die senkrecht zur Sensoroberfläche stehen. Da diese Sensoren auf einem gewickelten Ferritkern basieren, sind sie nicht nur sperrig, sondern weisen auch geringe Abweichungen in ihrer Konstruktion auf, was die Gesamtgenauigkeit beeinträchtigt. Durch das Gehäuse tritt zudem noch eine gewisse Verlustleistung auf, was die Betriebslebensdauer der Sensoren verkürzen kann. Weitere mögliche Probleme sind die Temperaturdrift und Einschaltströme. Diese Effekte verstärken sich in Datenzentren noch mehr, da hier Server eng zusammenstehen und ständig große Wärmemengen erzeugt werden. Selbst mit hocheffizienten Kühlungsvorrichtungen können die Temperaturauswirkungen auf die Genauigkeit einiger Sensorsysteme die Qualität der gewonnenen Daten beeinträchtigen. Da die Anforderungen an PDUs immer weiter steigen, können herkömmliche Sensormethoden hier nicht mehr mithalten - ein wesentlich differenzierter Ansatz ist also erforderlich.

Höhere magnetische Empfindlichkeit

Der Triaxis-Stromsensor von Melexis bietet eine nicht-intrusive Lösung, die zur Messung von Strömen auf PCB-Leiterbahnen (in der Regel 5 bis 50 A) oder einer Stromschiene (meist 50 bis 1.000 A) dient. Der Unterschied dieser Sensoren liegt in ihrer Fähigkeit, das in einer Leiterbahn oder Stromschiene erzeugte Magnetfeld ohne Ferrit-Ringkern oder Stanzbleche zu erfassen. Bei der patentierten IMC(Integrated Magnetic Concentrator)-Technik wird eine ferromagnetische Folie auf dem Chip aufgebracht. Mithilfe komplexer Algorithmen kann der Sensor dann den Magnetfluss parallel zu sich schnell und genau ermitteln. Diese proprietäre Technik und die Umsetzung des Sensorelements bedeuten, dass sich die magnetische Empfindlichkeit des Sensorsystems wesentlich erhöht. Der Analogausgang eines Triaxis-Sensors bietet Reaktionszeiten von 4 µs. Im Vergleich zu herkömmlichen Hall-Effekt-Sensoren ergeben sich damit 200 kHz Bandbreite anstelle von nur 50 kHz. Bei herkömmlichen Bausteinen ergeben sich auch zwei bis drei Prozent Nichtlinearität aufgrund der Ringkonstruktion und Hysterese-Effekten. Triaxis-Sensoren bieten eine Nichtlinearität von nur 0,5 Prozent. Auch die Temperaturdrift sinkt erheblich, wenn ein Triaxis- anstelle eines herkömmlichen Hall-Effekt-Sensors verwendet wird. Die hier aufgezeigte kontaktlose Sensorlösung auf Basis der proprietären Triaxis-Technologie eignet sich für die genaue und zuverlässige Überwachung der PDU-Ein-/ Ausgänge. Sie bietet die hohe Linearität und schnelle Reaktionsfähigkeit, um aussagekräftige Ergebnisse zu liefern. Auch eine effektive Temperaturkompensation ist integriert. Da kein Ferritkern erforderlich ist, passt der Sensor in ein Chipgehäuse und spart damit Platz auf der Leiterplatte. Da er programmierbar ist, lässt er sich leicht an unterschiedliche Nennströme anpassen, was den Einsatz hochflexibel macht. Damit sind mit einer einzigen Plattform verschiedene Designs möglich.

Vorteile nicht-intrusiver Lösungen

Bei der Implementierung eines PDU-Designs ergeben sich also zahlreiche Herausforderungen für die Entwickler. Dazu zählen der Schutz gegen Spannungsspitzen, das Handling hoher Eingangsströme, das geringe Platzangebot in bestimmten Systemen, geringe Systemkosten und hohe Zuverlässigkeit. Nicht-intrusive Sensorlösungen, die Eigenisolation und Schutz gegen hohe Spannungsspitzen und Einschaltströme bieten, haben einen klaren Vorteil gegenüber herkömmlichen Ansätzen. Sensoren, die diese Eigenschaften zusammen mit dem Erkennen magnetischer Felder bieten, die parallel zur Leiterplatte anliegen, ermöglichen einfachere Implementierungen, sind genauer und zuverlässiger und nehmen weniger Platz ein. Die IMC-Technologie der Triaxis-Sensoren verstärkt das Magnetfeld, das auf den Sensorchip einwirkt, was die Empfindlichkeit erhöht und Störungen auf ein Minimum begrenzt.