Pas si simples : les alimentations de data centers reposent sur des inductances à fort courant avancées

Les inductances, tout comme leurs homologues passifs que sont les résistances et les condensateurs, souffrent d'un problème d'image. Contrairement aux dispositifs à semi-conducteurs, qui s'appuient sur des principes physiques complexes et sont fabriqués dans des usines de plusieurs milliards de dollars, les inductances ne bénéficient tout simplement pas de l'attention et du respect qu'elles méritent.

Le sentiment général parmi les ingénieurs et autres technologues est que leur simplicité les rend indignes d'admiration. En réalité, elles possèdent toutefois une sophistication qui leur est propre, même comparées aux dispositifs actifs.

Pendant longtemps après les années 1830, lorsque Michael Faraday découvrit qu'un champ magnétique variable pouvait induire un courant et que Joseph Henry étudia indépendamment l'« auto-induction » (un conducteur induisant un courant en lui-même), l'inductance et la bobine d'inductance restèrent quelque peu mystérieuses. Ce n'est qu'une fois l'électromagnétisme mieux compris, à l'aide à la fois des lois fondamentales de l'électricité et des équations de Maxwell, que le mystère expliquant comment le simple fait de former une boucle avec un fil pouvait modifier ses propriétés électriques a été résolu.

Une partie du dilemme lié à l'image réside dans le fait que l'inductance (Figure 1, en haut à gauche) est représentée par un symbole schématique très ordinaire (Figure 1, en haut à droite). De plus, les concepts de base enseignés dans les écoles d'ingénieurs décrivent généralement l'inductance comme un simple morceau de fil qui a été plié ou enroulé ; d'où le terme « bobine », un nom informel donné à l'inductance dans de nombreuses applications. En réalité, elles sont utilisées avec succès dans toute une gamme de conceptions pour stocker de l'énergie afin de filtrer l'ondulation à la sortie d'une alimentation à découpage (SMPS) (Figure 1, en bas) et pour créer un circuit d'accord résonant RF.

Figure 1 : Les premières bobines d'inductance à noyau d'air pour les radios à cristal étaient formées à partir de fil enroulé autour d'un cylindre creux (en haut, à gauche), le symbole schématique correspondant étant une simple bobine (en haut, à droite). Le schéma fonctionnel d'une alimentation à découpage typique montre l'emplacement de la bobine de lissage de sortie (en bas). (Sources des images : United Nuclear, Bourns et Circuit Basics LLC)

La physique de l'inductance est définie par une équation succincte qui relie l'inductance (L), la tension (V) et la vitesse de variation du courant (I) : V = L × (dI/dt).

Cette équation indique que l'inductance n'entrave pas les courants CC (mis à part sa résistance ohmique), mais qu'elle s'oppose (« limite ») aux courants variables. Quelle que soit la valeur de l'inductance, cette opposition augmente avec la vitesse de variation (fréquence). Son « facteur de qualité » (Q) est une mesure sans dimension des pertes de l'inductance, définie comme le rapport entre sa réactance inductive et sa résistance série équivalente, qui inclut à la fois la résistance en courant continu (DCR), idéalement proche de 0 Ω, et les pertes dépendantes de la fréquence.

Aux débuts de la radio, les passionnés de bricolage construisaient des radios à cristal à l'aide d'une bobine d'accord composée de nombreuses spires de fil enroulées autour d'une tige ou d'un tube en carton de quelques centimètres de long. C'est ainsi que la plupart d'entre elles sont représentées dans la littérature de base sur l'électronique, et l'inductance bobinée est encore utilisée dans des cas particuliers. Cependant, les alimentations à fort courant d'aujourd'hui nécessitent un autre type d'inductance, caractérisée par une faible valeur d'inductance, une résistance DCR très faible et une haute tenue en courant.

Les bobines ne suffisent plus

Les inductances sont des composants essentiels dans les alimentations à découpage à fort courant et haut rendement utilisées dans les data centers. La plupart des conceptions incluent une petite inductance pour le stockage d'énergie et pour lisser l'ondulation de sortie, fonctionnant en tandem avec un condensateur de sortie.

Aux niveaux de courant requis dans les data centers, même une résistance DCR infime se traduit par une inefficacité et une chaleur résiduelle importantes. Les chiffres en expliquent la raison : une résistance de seulement 10 mΩ transportant 100 A entraîne une perte de 100 W (P = I²R). C'est pourquoi une résistance DCR inférieure à 1 mΩ est vitale dans les situations à courant élevé.

Pour atténuer les pertes et dissiper la chaleur résiduelle, tout en prenant en charge des facteurs de forme de plus en plus compacts et des procédés de montage en surface, les fournisseurs ont recours à des matériaux de pointe, à des conceptions physiques innovantes et à des techniques de fabrication améliorées.

Un bon exemple est le SRP1024HMCT-75NM (Figure 2) de la série SRP1024HMCT d'inductances de puissance blindées de Bourns. Avec une empreinte de 4 mm × 10,60 mm et un profil extra-plat de 2,2 mm, ce dispositif à fort courant offre une valeur d'inductance de 0,075 µH (±20 %) avec une résistance DCR de seulement 0,4 mΩ.

Figure 2 : Le SRP1024HMCT-75NM est une inductance de 0,075 µH avec une empreinte réduite, un profil extra-plat et une résistance DCR de seulement 0,4 mΩ. (Source de l'image : Bourns)

Ces spécifications ne reflètent qu'une partie de la réalité. L'inductance est conçue pour une intensité efficace (rms) de 50 A et un courant de saturation de 65 A. Sa construction blindée utilise un procédé de moulage à chaud et un noyau en poudre de carbonyle autour d'un fil de cuivre émaillé afin de contrer deux problèmes causés par l'action de commutation à temps de montée/descente rapide d'une alimentation : le bourdonnement audio dû aux résonances électroacoustiques et les interférences électromagnétiques (EMI). Ces dernières peuvent empêcher la conception globale de respecter les limites strictes en matière d'EMI concernant le bruit électrique rayonné.

Toutes les inductances transportant plus qu'une quantité négligeable de courant sont affectées par l'auto-échauffement. Le SRP1024HMCT-75NM prend en charge une plage de températures de fonctionnement de -40°C à +125°C. Dans cette plage, les concepteurs doivent connaître et modéliser l'effet de la température sur les paramètres et les performances de l'inductance, et intégrer ces informations dans leurs modèles de circuits de puissance et les simulations qui s'ensuivent.

Pour ces raisons, Bourns fournit un graphique (Figure 3) illustrant la relation entre le courant CC, l'élévation de température associée et la diminution de l'inductance qui en résulte.

Figure 3 : Graphique tiré de la fiche technique de l'inductance SRP1024HMCT-75NM montrant la relation entre le courant CC, l'élévation de température et l'inductance effective. (Source de l'image : Bourns)

La fiche technique fournit également le profil de température de soudage spécifique à ce composant. Bien que ces informations intéressent principalement l'équipe de fabrication et de production, d'autres composants figurant sur la nomenclature (BOM) peuvent présenter des exigences différentes, ce qui peut entraîner des modifications du processus de production ou du choix des composants de la nomenclature.

Conclusion

Dans le cas des data centers, il est tentant de se concentrer sur la topologie et les performances globales de l'alimentation, en particulier le rendement, et de négliger les subtilités des composants passifs de base à deux bornes tels que les inductances. Comme illustré, les inductances blindées de Bourns permettent aux alimentations à découpage de supporter les forts courants des data centers malgré l'élévation de température associée, les considérations relatives aux EMI et même les contraintes de taille physique.