Interdependenţa cerinţelor surselor de alimentare moderne
Cerinţele surselor de alimentare
Studiile centrelor de date din SUA în 2013, au arătat că au consumat o cantitate de energie de aproape 91 de miliarde de kilowatt-oră. Această cantitate este suficientă pentru a alimenta cel mai mare oraş din SUA timp de 2 ani.
Cel puţin 10% – 15% din această putere este atribuită pierderilor în: convertirea tensiunilor de linie CA în CC, conversiilor secundare CC/CC şi transmisiei de putere în cabinetele centrelor de date. Un calcul rapid arată o pierdere de aproximativ 9 miliarde kilowatt-oră. Aceasta înseamnă că fiecare îmbunătăţire cu 1% a randamentului economiseşte în SUA aproximativ 1,1 miliarde kilowatt-oră pe an. Astfel ajungem la subiect.
Randamentul este, de departe, cel mai important parametru în proiectarea convertoarelor şi are un efect major asupra multor alte cerinţe, precum topologie circuit, amprenta PCB necesară aplicaţiei în toate cele trei dimensiuni, arhitectura de control utilizată, simplitatea utilizării (timp până la lansarea pe piaţă) şi chiar răspunsul tranzitoriu şi costul total al soluţiei.
Analiză
Pentru convertoare CC/CC, un convertor sincron coborâtor de tensiune este topologia de ales deoarece, proiectat corespunzător, el oferă un răspuns tranzitoriu bun şi un randament ridicat. Pentru a obţine acest lucru, trebuie selectată arhitectura corectă de control.
Un control de mod tensiune conduce la un răspuns tranzitoriu bun şi un randament ridicat, dar necesită o analiză profundă asupra celor patru colţuri ale circuitului buclă de compensare, afectând serios timpul până la lansarea pe piaţă într-o lume în care lansarea unei versiuni noi se face la câteva luni.
Arhitecturile constante în timp oferă un răspuns tranzitoriu de la bun la excelent, randament bun şi uşurinţă de implementare, în special atunci când unele sunt autocompensate şi nu necesită reţele de compensare, reducând timpul până la lansarea pe piaţă. Un astfel de caz îl reprezintă controlerul XR6141 COT de la Exar.
Randamentul este uzual îmbunătăţit cu o frecvenţă de comutaţie redusă, deoarece aceasta reduce pierderile de comutaţie.
Există însă un preţ de plătit, iar acesta este creşterea globală în dimensiune, în special amprenta PCB. Cauza o reprezintă necesitatea unor inductoare şi condensatoare mai mari comparativ cu frecvenţele mai mari de comutaţie.
Se ajunge adesea la costuri mai mari, plus o creştere a înălţimii ce nu mai permite utilizarea în echipamentul ţintă. Odată cu apariţia noilor tehnologii de surse de alimentare în comutaţie, precum GaN şi SiC, pot fi obţinute randamente excelente la frecvenţe de comutaţie ridicate.
Graficul randamentului XR79120 atât pentru modul CCM cât şi DCM la VIN = 12V
În momentul actual, aceste dispozitive sunt mult mai scumpe decât MOSFET-urile, iar datorită frecvenţelor ridicate de comutaţie, sunt necesari experţi în layout PCB. Veştile bune sunt acelea că preţurile sunt în scădere, făcând ca aceste tehnologii să devină mai atractive odată cu trecerea timpului. Se merge astfel spre schimbări majore în frecvenţele de comutaţie tipice de la, să zicem, 200kHz – 800kHz la 10MHz – 100MHz într-un viitor apropiat. Odată cu aceste schimbări apare şi o extra-provocare în ceea ce priveşte componentele pasive, precum inductoare de dimensiuni mici cu pierderi reduse în miez şi condensatoare ceramice cu curenţi mari de riplu în gama de zeci de MHz.
Proiectanţii de dispozitive de putere trebuie să aibă tot knowhow-ul necesar pentru a proiecta, testa şi depana aceste noi circuite. Cu toate noile tehnologii şi knowhow-ul implicat, siguranţa în funcţionare devine foarte importantă şi trebuie studiată în profunzime înainte de adoptarea pe scară largă în industrie; în acelaşi fel s-a făcut în anii 1980 pentru a asigura pe toată lumea că MOSFET este un dispozitiv robust şi sigur.
O altă abordare este utilizarea unui modul de putere complet integrat, pentru care este deja rezolvat procesul lung şi dificil al selectării topologiei corecte, a dispozitivelor de comutaţie şi al layout-ului optim pentru trenul de putere în vederea unui nivel scăzut de paraziţi şi a unei bune conformităţi EMI.
De exemplu, este cazul circuitului XR79120 de la Exar, care asigură o densitate de putere de peste 2kW/in3 şi un randament de până la 95%. Aceasta este o nouă tendinţă în proiectarea dispozitivelor de putere: capitalizarea bazinului de cunoştinţe disponibil în companiile de semiconductoare începând de la proiectarea circuitelor integrate de control şi a MOSFET-urilor şi până la tehnologiile de capsulare, toate sub un singur acoperiş. Este permis astfel schimbul nerestricţionat de idei şi cunoştinţe, rezultând module optimizate multi-utilizare ce pot fi implementate în aplicaţii în minute, comparativ cu săptămâni sau luni.
Controlere de putere programabile
Aceste controlere sunt complet comandate printr-o interfaţă I2C conformă SMBus, permiţând reconfigurare avansată locală şi/sau de la distanţă, monitorizarea performanţelor şi raportarea şi gestionarea erorilor în funcţionare. Printre alte aplicaţii, acest tip de controler este cel mai potrivit pentru staţii de bază, routere şi echipamente de testare automată.
FPGA-urile şi procesoarele necesită un management energetic avansat cu controlul tensiunii pentru linii de putere multiple, programabile în gama de la 0,6V la 5V fără necesitatea unor componente externe. Aceste dispozitive trebuie să ofere o soluţie completă de secvenţiere pentru a permite diferitelor linii de putere să fie activate/dezactivate în ordinea potrivită.
Frecvenţa de comutaţie programabilă este o caracteristică utilă pentru o conversie cu două etaje, în vreme ce gama largă posibilă cu modularea digitală a lăţimii pulsului (DPWM) permite optimizarea randamentului şi dimensiunii componentelor. Aici un bun exemplu este XRP7724 de la Exar.
Concluzie
Domeniul conversiei de putere trece printr-o remodelare majoră a ipotezelor fundamentale şi a metodologiilor de lucru. Acest fapt se datorează dispozitivelor moderne inteligente şi conectate şi evoluţiei lor rapide pentru a satisface cerințele pieţei, dar și pentru a fi înaintea competiției.
O schimbare majoră de paradigmă este necesară pentru a intra în lumea comutaţiei la zeci de MHz cu un randament trecut bine de 90%, dar cu o suprafaţă PCB ocupată de numai câţiva mm2, oferind un răspuns tranzitoriu foarte rapid şi un ciclu de proiectare complet de mai puţin de o săptămână, toate la un preţ mai mic decât generaţia anterioară.
Aceste obiective sunt posibile datorită aşteptărilor în ceea ce priveşte progresul tehnologic în domeniul semiconductoarelor, capsulării şi algoritmilor de control.
Autor: Alan Elbanhawy, Exar Corporation
Exar Corporation
www.exar.com