DigiKey
Avtor: Rolf Horn
Merjenje toka med virom napajanja in obremenitvijo – naj gre za motor, tiskano vezje ali sistem – je vedno bolj pomembna zahteva, ki omogoča optimizacijo porabe energije na ravni sistema in podsistema.
Čeprav so komponente za vezja za merjenje toka v različnih konfiguracijah že dobro uveljavljene, je razvoj podatkovnih centrov z umetno inteligenco (AI) to nalogo naredil zahtevnejšo. Trenutne ravni so višje in zajemajo široko dinamično območje, pri čemer je treba natančno meriti hitre prehode med najnižjimi in najvišjimi ravnmi.
Za izpolnitev teh višjih zahtev je potrebna skrbna izbira komponent za analogne in mešane signale v okviru uveljavljenih topologij vezij.
V tem članku je obravnavana potreba po merjenju toka ter izzivi, ki jih predstavljajo podatkovni centri z umetno inteligenco. Nato je podan pregled zasnove vezja in preučena uporaba serijsko proizvedenih komponent za analogne/mešane signale podjetja Analog Devices [1], ki se lahko uporabijo za reševanje teh izzivov.
Določite cilje na ravni sistema
Čeprav se vsako podatkovno središče za umetno inteligenco razlikuje od drugih, obstajajo splošna navodila, ki jih je mogoče uporabiti za določitev zahtev za merjenje toka na ravni sistema, med drugim:
največji sistemski tok: en kiloamper (kA), porazdeljen na več tiskanih vezij, od katerih vsako vsebuje več grafičnih procesnih enot (GPU),
dinamični razpon odčitka: več kot 90 decibelov (dB),
ločljivost ADC: najmanj 16 bitov, priporočljivo pa je od 18 do 20 bitov,
linearnost: ½ najmanj pomembnega bita (LSB) na 16-bitni ravni; integralna nelinearnost pod ±8 delcev na milijon (ppm),
čas stabilizacije: manj kot 50 nanosekund (ns) na 16-bitni ravni.
Določanje velikosti merilnega soupora
Ena od prvih nalog pri načrtovanju je določitev velikosti upora za merjenje toka, ki ustreza specifikacijam posamezne plošče. Vzemimo na primer tiskano vezje, ki porabi največ 3 ampere (A) z osmimi grafičnimi procesorji AMD Radeon, kar pomeni približno 375 do 400 miliamperov (mA) na grafični procesor. Ta tok je približno enakomerno porazdeljen med napetostnima vodoma 1,8 in 0,9 volta, zato je tok, ki ga je treba meriti na vsakem napetostnem vodu, približno 200 mA polnega obsega (FS).
Odgovorna inženirska praksa v tem primeru kaže, da je padec napetosti okoli 50 milivoltov (mV) največji sprejemljivi padec ali »obremenilna« napetost na uporu za merjenje toka. Po Ohmovem zakonu to ustreza največji upornosti 250 miliohmov (mΩ). Dobra izbira, ki zagotavlja dodatno rezervo in zmanjšuje izgube, je 100 mΩ.
Ko je napetost FS merilnega upora znana, se lahko nadaljuje z ostalim načrtovanjem in izbiro komponent. Pri toku FS 200 mA, ki teče skozi soupor z upornostjo 100 mΩ, znaša napetost FS na tem uporu, ki jo je treba zaznati in ojačiti, 20 mV.
Poenostavljena shema vezja (slika 1) prikazuje štiri osnovne funkcije:
merilni ojačevalnik (in-amp) za zaznavanje, obdelavo in skaliranje majhne napetosti, ki nastane na merilnem uporu (Rsense),
diferencialni ojačevalnik, ki zajema izhodni signal ojačevalnika in ga pripravi za analogno-digitalni pretvornik (ADC),
ADC, ki signal digitalizira z visoko natančnostjo, visoko ločljivostjo in nizko stopnjo šuma,
natančen napetostni referenčni vir za ADC.
Podrobnosti o vezju za merjenje toka
Vgrajeni ojačevalnik: Glede na relativno nizko napetost FS, zahtevano ločljivost in verjeten vpliv šuma notranjih komponent na odčitke je primerna izbira vgrajenega ojačevalnika AD8421ARZ [2]. Ta ojačevalnik ima največji šum vhodne napetosti 3,2 nV/√Hz in tokovni šum 200 fA/√Hz pri 1 kilohercu (kHz) (slika 2, levo). Ima največjo pasovno širino 10 megahertzov (MHz), razmerje dušenja skupnega načina (CMRR) 94 dB pri ojačenju 1 (G = 1) ter enakomerno ojačenje glede na frekvenco do lomne frekvence (slika 2, desno).
Če je ojačenje nastavljeno na 10 voltov/volt (V/V) prek Rgain vrednosti 1,1 kilohma (kΩ), znaša izhodna napetost 200 mV od vrha do vrha (Vp-p), pri čemer se ohrani celotna pasovna širina 3 dB, ki znaša 10 MHz. Šum ojačevalnika, merjen glede na vhod, na tej pasovni širini presega šum naslednjega analogno-digitalnega pretvornika (ADC).
Diferencialni ojačevalnik: Naslednji korak je obdelava ojačenega signala izmerjenega na merilnem uporu, da se lahko vodi na ADC. Za to vlogo je diferencialni ADC ojačevalnik/gonilnik ADA4945-1ACPZ-R7 [3] odlična izbira. Značilno je odstopanje odklona ±0,1 mikrovolta na stopinjo Celzija (µV/°C), kar je ključnega pomena za stabilnost in dosledno delovanje. Diferencialni prenos signalov zmanjšuje vpliv šuma in ohranja zmogljivost tudi ob prisotnosti napetosti v skupnem načinu.
Pri ojačenju 1 ima ADA4945-1ACPZ-R7 tipično pasovno širino 80 MHz za majhne signale v načinu z nizko porabo energije in 145 MHz v načinu z velikimi signali, odvisno od izbire uporabnika. Odlikuje ga tudi nizka raven napetostnega in tokovnega šuma ter hiter čas ustalitve (slika 3), kar zagotavlja natančno zajemanje hitro spreminjajočih se signalov.
Če nastavimo ojačenje vezja ADA4945-1ACPZ-R7 na 7,02 V/V, se njegov izhodni razpon prilagodi vhodnemu razponu naslednje stopnje, kar optimizira delovanje in zmanjša vpliv šuma.
ADC: Digitalizacija napetostnega signala, ki predstavlja zaznan tok, je splošni cilj na ravni sistema, njegova uresničitev pa je naloga ADC-ja. AD4084BBCZ-RL7 [4] (slika 4) je v tem primeru dobra izbira. Ta visoko integrirani analogno-digitalni pretvornik (ADC) s postopnim približevanjem (SAR) se odlikuje po nizki ravni šuma (8,8 nV/√Hz), nizki porabi energije (80 milivatov (mW) pri 40 megavzorcih na sekundo (Msamples/s)), visokem dinamičnem razponu (94,6 dB) in odlični tipični linearnosti ±4 delcev na milijon (ppm). Vključuje tudi 16-ks pomnilnik rezultatov po načelu »prvi noter, prvi ven« (FIFO) z zaznavanjem dogodkov, kar znatno zmanjša takojšnjo obremenitev digitalnega gostitelja.
Funkcije »Easy Drive« modela AD4084BBCZ-RL7 zmanjšujejo zapletenost signalne verige in porabo energije, hkrati pa omogočajo večjo gostoto kanalov in večjo prožnost pri izbiri spremljajočih komponent. Zaradi manjših zahtev glede pasovne širine omogoča tudi uporabo gonilnikov z manjšo porabo energije.
Referenčna napetost: Nekateri analogno-digitalni pretvorniki (ADC) imajo vgrajeno referenčno napetost, ki je lahko precej dobra. Vendar je samostojna referenčna napetost, na primer 3-voltna različica LTC6655 [5], boljša izbira za natančno, stabilno in dosledno delovanje signalne verige.
LTC6655 se ponaša s šumom 1/f pod 625 nV od vrha do vrha (nVp-p) (slika 5, levo), odstopanjem pod 2 ppm/°C (slika 5, desno) in absolutno natančnostjo ±0,025 %. Zaradi tega zagotavlja natančno in stabilno referenco za celotno signalno verigo merjenja toka.
Optimizacija zasnove
Vsak projekt upošteva ravnovesje med dejavniki, kot so zmogljivost, prostor na plošči, poraba energije in stroški, in ta projekt ni nobena izjema. Dodaten dejavnik je dinamični razpon. Prikazano vezje ponuja dinamični razpon nad 60 dB in šum, merjen glede na vhod, v višini približno 200 mikroamperov (µA), kar je dobro, a še vedno pod prvotnim ciljem 90 dB.
Med ukrepi, ki jih je mogoče sprejeti za povečanje te vrednosti, sta zmanjšanje vhodnega ojačenja v ojačevalniku AD8421ARZ in povečanje integriranega digitalnega filtriranja (decimacije), ki je na voljo v ADC, za štirikrat ali celo osemkrat, kar bo povečalo dinamični razpon za 6 dB oziroma 12 dB, vendar na račun hitrosti pretvorbe.
Ta sprememba ojačenja ne zahteva zamenjave strojne opreme. Namesto tega je preklapljanje ojačenja na AD8421ARZ možno izvesti z uporabo analognega stikala, na primer 4-kanalnega multiplekserja ADG5404FBRUZ-RL7 [6], ki ima tipično upornost v prevodnem stanju 10 ohmov (Ω).
Vendar pa imajo analogna stikala vgrajene parazitske učinke, kot sta omenjena upornost v prevodnem stanju in druge nelinearnosti, zaradi česar so manj primerna za zelo natančne meritve. Njihovo delovanje v tem pogledu bi bilo potrebno oceniti s pomočjo natančnega modeliranja in simulacije signalne verige. Zato je uporaba ADC-ja z nizko stopnjo šuma in širokim dinamičnim razponom, kot je AD4084BBCZ-RL7 brez nastavitve ojačenja, morda boljša izbira, saj poenostavi signalno verigo in odpravi vire napak.
Za aplikacije, kjer je prostor omejen ali je treba zmanjšati seznam materialov (BOM), je bolj integrirani AD4884BBCZ-RL [7] (slika 6) alternativa ADC-ju AD4084BBCZ-RL7. Ta dvo-kanalni, nizkošumni, nizkoenergetski, zelo hiter16-bitni SAR ADC vključuje popolnoma diferencialne ojačevalne gonilnike (FDA) in upore za nastavitev ojačenja.
Njegova dva kanala lahko vzorčita bodisi hkrati bodisi neodvisno, kar zagotavlja prilagodljivost za široko paleto uporab. AD4884BBCZ-RL je optimiziran za vhodne signale do 1 MHz ter se ponaša z izjemno linearnostjo in izredno nizko porabo energije, zaradi česar predstavlja primerno alternativo za številne natančne sisteme za zajemanje podatkov.
Zaključek
Za natančno merjenje toka v podatkovnih centrih za umetno inteligenco je potrebna signalna veriga, ki lahko obvladuje visok tok, široko dinamično območje in hitre spremembe obremenitve. Za uspešno zasnovo je potrebna skrbna izbira komponent in optimizacija signalne verige, da se doseže ravnovesje med natančnostjo, šumom, odzivnim časom, prostorom na plošči, porabo energije in kompleksnostjo vezja. Podjetje Analog Devices ponuja merilne ojačevalnike, diferencialne gonilnike ADC, SAR-ADC-je, napetostne reference ter integrirane rešitve za izvedbo potrebnih funkcij.
Viri:
1: https://www.digikey.com/en/supplier-centers/analog-devices
2: https://www.digikey.com/en/products/detail/analog-devices-inc/AD8421ARZ/3340511
3: https://www.digikey.com/en/products/detail/analog-devices-inc/ADA4945-1ACPZ-R7/10107155
4: https://www.digikey.com/en/products/detail/analog-devices-inc/AD4084BBCZ-RL7/28167913
5: https://www.digikey.com/en/products/filter/voltage-reference/693?s=N4IgjCBcpg7LBOKoDGUBmBDANgZwKYA0IA9lANogBMADFQGxWwgC6xADgC5QgDKnAJwCWAOwDmIAL7EAtFWQg0kQQFcipCiCQtJ06poAyAFQDC9egFYLrSUA
6: https://www.digikey.com/en/products/detail/analog-devices-inc/ADG5404FBRUZ-RL7/5175810
7: https://www.digikey.com/en/products/detail/analog-devices-inc/AD4884BBCZ-RL/29220889
