Le programme 80 Plus et les blocs d'alimentation
Les principales tendances technologiques récentes ont toutes en commun le fait de requérir d’énormes quantités de puissance de calcul.
L'intelligence artificielle et l'apprentissage automatique (AI/ML) peuvent nécessiter d'énormes quantités de puissance de calcul pour exécuter des algorithmes spécifiques; des superordinateurs sont souvent utilisés pour effectuer le traitement. AI/ML induit également souvent d’énormes quantités de données pour faire correctement fonctionner les algorithmes. Tout comme le cloud computing, le stockage et le traitement de ces informations nécessitent des centres de données remplis de serveurs, de routeurs et de commutateurs, qui consomment tous de grandes quantités d'énergie.
L'efficacité est de plus en plus importante dans l'informatique à haute performance
Cette nouvelle génération d'informatique impose des exigences strictes aux composants et aux systèmes nécessaires au fonctionnement de ces machines. Dans toutes ces applications informatiques, l’alimentation électrique est d'une importance capitale. Il ne suffit plus de «simplement» fournir de l’électricité. Des contraintes thermiques doivent être respectées, une plus grande efficacité énergétique doit être atteinte, la redondance doit être mise en place et la fiabilité est requise.
Tout système informatique bien conçu prendra en compte tous ces facteurs. En fait, des réglementations et des certifications commencent à régir certaines de ces exigences et permettent d'identifier les blocs d'alimentation qui répondent à certains critères.
C'est par exemple Energy Star, un programme volontaire développé par l’Agence américaine de protection de l’environnement. L’objectif est de fixer des exigences strictes aux blocs d'alimentation 80 PLUS, garantissant leur efficacité énergétique et leurs performances environnementales. Les spécifications exigent que les alimentations atteignent une efficacité énergétique d'au moins 80 % à différents niveaux de charge : 20 %, 50 % et 100 %. Par exemple, pour obtenir la certification de base 80 PLUS, une alimentation électrique doit avoir un rendement de 80 % sous les charges spécifiées. Les normes deviennent progressivement plus strictes pour les certifications plus élevées comme Bronze, Argent, Or, Platine et Titane. Ces normes rigoureuses reflètent l'engagement d'Energy Star à promouvoir l'efficacité énergétique et à réduire l'impact environnemental de la consommation d'énergie, favorisant ainsi la création de serveurs et de dispositifs de stockage plus durables.
Qu'est-ce que le programme 80 Plus ?
Le programme de certification 80 Plus a été lancé au début des années 2000. Il a d'abord été mis en place par Ecos Consulting mais est maintenant géré par CLEARresult. Il s'agit d'un programme volontaire qui aide les fabricants à promouvoir des conceptions économes en énergie destinées à être utilisées dans les ordinateurs. Pour obtenir la certification 80 Plus, les alimentations doivent avoir un rendement d'au moins 80 % à 20 %, 50 % et 100 % de la charge nominale et atteindre un facteur de puissance de 0,9 ou plus à 100 % de la charge.
Mais qu'est-ce que l’efficacité énergétique et le facteur de puissance ?
Calcul de l'efficacité de l'alimentation électrique
L’efficacité énergétique est sans doute la mesure la plus connue des deux. En termes simples, l'efficacité d'une alimentation électrique est le rapport entre la puissance de sortie et la puissance d'entrée totale, exprimé en pourcentage.
En raison des caractéristiques non idéales des composants électroniques utilisés dans les alimentations, un rendement de 100 % n'est pas possible. Ces caractéristiques peuvent être des pertes de commutation et de conduction dans les composants actifs, tels que les transistors et les redresseurs, des pertes résistives dans les fils, les enroulements et les pistes des PCB et des pertes AC dans le transformateur. L’énergie perdue dans ces composants est généralement dissipée sous forme de chaleur, ce qui peut créer des problèmes supplémentaires.
Calcul du facteur de puissance
Le facteur de puissance est un plus complexe. Il s’agit du rapport entre la puissance réelle et la puissance apparente, et sa valeur maximale est de 1. La puissance réelle, mesurée en watts, correspond à la puissance en fonctionnement qui est consommée par l'alimentation et la charge. La puissance réactive, mesurée en volts-ampères réactifs (VAR), est déphasée de 90 degrés par rapport à la puissance réelle. Le courant réactif circule simplement dans le système sans effectuer aucun travail. La puissance apparente est la valeur de la somme vectorielle des puissances réelles et apparentes, qui est également égale au produit de la tension et du courant efficaces.
Triangle de puissance montrant les composantes réelles et réactives et le vecteur de puissance apparent qui en résulte.
Dans un circuit purement résistif, le facteur de puissance est de 1 et toute la puissance apparente produit du travail. Cependant, lorsque des composants réactifs tels que des inductances et des condensateurs sont introduits dans les circuits et les charges, la forme d'onde du courant est modifiée par rapport à la tension et le facteur de puissance diminue en raison de l'ajout de puissance réactive. Dans les circuits non linéaires, tels que les alimentations à découpage, il faut également se préoccuper des harmoniques. Le courant harmonique est réactif et réduit donc également le facteur de puissance.
L'impact d'un faible facteur de puissance est une augmentation du courant d'entrée ; ce qui entraîne:
- Câblage plus important et plus coûteux
- Réseaux de distribution
- Capacité réduite sur les circuits de dérivation
- Augmentation du coût
Il existe de nombreuses raisons pour lesquelles un concepteur choisira une alimentation certifiée 80 Plus plutôt que d’autres non certifiées. Une des principales raisons est le coût. Des alimentations plus efficaces se traduisent par moins de gaspillage d’énergie. Cela signifie que des blocs d'alimentation plus efficaces peuvent contribuer à réduire les coûts de fonctionnement des installations de grande taille. L'énergie gaspillée est généralement dissipée sous forme de chaleur, ce qui nécessite souvent des systèmes de refroidissement qui non seulement augmentent les coûts, mais peuvent également occuper un espace précieux et créer du bruit inutile. Moins de chaleur et moins (ou pas) de ventilateurs en fonctionnement contribuent également à prolonger la durée de vie d’un produit et la fiabilité globale d’un système.
Historique des niveaux du programme
Comme son nom l'indique, lorsque la certification 80 Plus a été introduite pour la première fois, elle exigeait uniquement que les alimentations aient une efficacité d'au moins 80 % à 20 % de charge, 50 % de charge et 100 % de charge. Ce niveau d'efficacité est désormais connu sous le nom de 80 Plus Basic. Depuis l’introduction du programme, cinq niveaux de certification supplémentaires ont été ajoutés. Le programme 80 Plus comprend désormais les niveaux de certification suivants :
Niveaux actuels de 80 plus
Chacune de ces certifications est divisée en sous-catégories en fonction de la tension d'entrée AC. Cela permet aux fabricants de cibler différentes régions du monde. Ces sous-catégories comprennent :
- 115 V interne non redondant
- 230 V interne redondant
- 115 V industriel
- 230 V UE interne non redondant
- 380 V DC
Les différents niveaux de certification, ainsi que 3 des différentes sous-catégories, sont présentés dans le tableau ci-dessous. Il convient également de souligner que le niveau de certification le plus élevé, 80 Plus Titanium, a introduit une charge nominale supplémentaire de 10 %.
Les alimentations sont généralement les plus efficaces entre 50 % et 75 % de leur charge nominale. Cependant, pour des charges plus faibles, l'efficacité de l'alimentation peut chuter de manière significative. En effet, à l'exception des alimentations Titanium, tout produit certifié 80 Plus peut descendre en dessous de 80 % d'efficacité à des charges inférieures à 20 %. Cela dit, le niveau de certification Titanium exige que toutes les alimentations soient efficaces à au moins 90 % à 10 % de leur charge nominale.
Importance de la haute efficacité
Réduire la consommation d’énergie – être écologique ou respectueux de l’environnement – est un avantage en soi, mais l’amélioration de l’efficacité des alimentations électriques est également importante en termes de coûts. Les fermes de serveurs et les centres de données peuvent faire des économies substantielles en intégrant des blocs d'alimentation plus efficaces dans leurs systèmes.
La puissance gaspillée est calculée à l'aide de l’équation suivante :
P_gaspillée = (P_out/efficacité) – P_out = Pin - Pout
Ainsi, par exemple, une alimentation de 375 W certifiée Platine gaspillerait 41,67 W d'énergie à pleine charge. Cela suppose une alimentation non redondante de 230 V avec un rendement de 90 %. D’autre part, une alimentation équivalente de 375 W classée Titanium (efficacité de 94 %) ne gaspillerait que 23,94 W d’énergie, soit une réduction de 43 % de la dissipation d'énergie.
Il y a 8 760 heures par an. En supposant que l'alimentation électrique fonctionne tout le temps, nous pouvons calculer l'énergie totale consommée par an en kWh comme suit : (375 W + 32,61 W)*8 760/1 000 = 3 570,7 kWh. De même, pour un approvisionnement à 96 % d’efficacité, cela équivaudrait à 3 421,8 kWh.
La différence de 148,9 kWh par an pourrait sembler minime au premier abord, mais n'oubliez pas que nous ne comparons qu’un seul module d’alimentation. Les centres de données et les fermes de serveurs disposent de milliers de racks d'équipements, chacun nécessitant plusieurs alimentations électriques. Les économies réalisées commencent à s’accumuler très rapidement et peuvent facilement atteindre des centaines de milliers de dollars.
Alimentations personnalisées pour plus d'efficacité
À mesure que les centres informatiques s'agrandissent et que les applications deviennent plus exigeantes, les blocs d'alimentation à haut rendement seront plus importants que jamais. Ils permettront non seulement de faire des économies et d'améliorer la fiabilité, mais ils contribueront également à rendre les systèmes réalisables en réduisant la chaleur et l'espace nécessaires. Parmi les solutions idéales, on peut citer des alimentations telles que la gamme d'alimentations certifiées Titanium de Bel Power Solutions.
Bel Power Solutions crée une gamme variée d'alimentations et de produits aux niveaux d'efficacité les plus élevés. La grande expérience de Bel en matière de conception électronique lui permet de proposer l’une des plus vastes sélections de conceptions frontales certifiées Titanium. Si vous avez besoin de quelque chose de différent, Bel Power Solutions propose également la possibilité de fabriquer des alimentations sur mesure. Les clients peuvent demander qu'une solution personnalisée soit conçue pour répondre à leurs besoins spécifiques.
Références
- https://en.wikipedia.org/wiki/80_Plus
- https://www.edn.com/five-major-trends-in-power-supply-design-for-servers/
- https://www.unicomengineering.com/blog/how-to-comply-with-lot-9-regulations/
- https://en.wikipedia.org/wiki/Power_factor
- https://www.fluke.com/en-us/learn/blog/power-quality/power-factor-formula
- https://www.sunpower-uk.com/glossary/what-does-80-plus-mean/#:~:text=The%2080%20Plus%20is%20a,and%20100%20percent%20of%20loading
- https://www.tomshardware.com/news/what-80-plus-levels-mean,36721.html
- https://www.howtogeek.com/805493/what-is-80-plus-certification-on-a-psu/#:~:text=The%20History%20of%2080%20Plus,efficiency%20of%20their%20power%20supply
- https://www.belfuse.com/resources/ApplicationNotes/PowerSolutions/app-note-BPS-Titanium-Efficiency-vs-Cost-Saving.pdf
