Serviciile “cloud” determină progrese semnificative în centrele de date, rețelele și echipamentele de telecomunicații. Internetul lucrurilor (IoT) are deja mai multe dispozitive cu adrese IP (Internet Protocol) conectate la „cloud” decât există ființe umane pe planetă. Toată această creștere are un impact semnificativ asupra serverelor, stocării și switch-urilor de rețea care procesează o cantitate din ce în ce mai mare de date și video. Toate acestea forțează echipamentele infrastructurii la limită în ceea ce privește puterea de procesare și lățimea de bandă. Pentru proiectanții de surse de putere, principala provocare este cum să alimenteze și să răcească eficient aceste echipamente, asigurând în același timp consumul minim de energie electrică. De asemenea, proiectanții trebuie să echilibreze componentele de putere de pe placa de circuit cu cele termice atunci când folosesc procesoarele avansate din ziua de azi precum ASIC și FPGA.
Acest articol examinează modul în care convertoarele multifază au evoluat pentru a aborda aceste provocări și compară diferite scheme de control. De asemenea, prezintă o nouă arhitectură multifază, care utilizează un control sintetic al curentului pentru a oferi echilibrarea curentului ciclu-cu-ciclu, precum și un răspuns tranzitoriu mai rapid.
Pentru alimentarea IoT, dispozitivele multifază trebuie să evolueze
Figura 1. Soluție multifază folosind patru faze
Puterea de procesare este concentrată în centrele de date unde procesoarele din gama de top, ASIC-urile digitale și procesoarele de rețea coordonează servere, echipamente de stocare și de rețea. Acestea sunt distribuite în rețea prin intermediul echipamentelor de telecomunicații și se întâlnesc la punctul de tranzacționare cu dispozitive de tip POS (Point Of Sale – puncte de vânzare), desktop-uri sau sisteme computerizate care utilizează CPU-uri sau FPGA-uri.
Tot ceea ce au în comun aceste dispozitive este că nevoile lor de procesare digitală au un profil de putere similar. Odată cu reducerea gabaritului procesorului și creșterea numărului de tranzistoare, procesoarele necesită acum curenți de ieșire mai mari, care pot varia de la 100A la 400A sau mai mult. Figura 1 ilustrează o soluție multifazată, care utilizează patru faze pentru a furniza procesorului un curent de 150A.
Deși această tendință a persistat ani de-a rândul, industria a fost capabilă să se adapteze integrând stări de joasă putere în sarcinile digitale. Acest lucru permite funcționarea în stare de repaus, la curenți mai mici, ca mai apoi să atingă puterea maximă când este cerută. Deși benefică pentru bugetul general al sistemului de alimentare, această caracteristică ridică o altă provocare proiectanților de surse de putere. Curentul corespunzător sarcinii maxime, care depășește 200A, trebuie să fie livrat și gestionat termic, dar pentru acest lucru, sursa trebuie să răspundă la cererea unei trepte mari de încărcare de peste 100A în mai puțin de o microsecundă, păstrând ieșirea într-o fereastră de reglare îngustă.
Soluția obișnuită a fost să se folosească un convertor DC/DC coborâtor de tensiune multifază pentru a asigura conversia de putere necesară, tipic, o ieșire de ~ 1V de la o intrare de 12V. Pentru a furniza curenți mari de încărcare, este mai ușor să se proiecteze o soluție multifază, care împarte sarcina pe încărcări mai mici (numite faze) decât să o livrăm într-o singură etapă. Încercarea de a gestiona prea mult curent cu o singură fază prezintă provocări în proiectarea componentelor magnetice și a FET-urilor, precum și a managementului termic, din perspectiva Pe=I2*R. O soluție multifază oferă randament ridicat, dimensiuni de gabarit mai mici și costuri reduse spre deosebire de folosirea unei singure faze pentru transportul de curenți mari. Această abordare este similară direcției tehnologice preluate de sarcinile finale, în care procesoarele multi-nucleu împart volumul de muncă.
Schema corectă de control
În timp ce soluțiile multifază oferă cea mai bună arhitectură de putere, implementarea trebuie cântărită cu atenție pentru a se potrivi cu cea mai recentă generație de procesoare. Tendința în ceea ce privește sistemele finale a fost întotdeauna orientă către caracteristici îmbunătățite, dimensiuni mai mici și un management performant al puterii. Acest lucru se reflectă în proiectarea surselor de putere cu frecvențe de comutație mărite care au rolul de a minimiza dimensiunile și a gestiona tensiuni de ieșire mai mici cu un curent mai mare, în condiții tranzitorii și de încărcare maximă. Aceste tendințe au oferit destule provocări privind stabilizarea surselor de alimentare, care, pentru a ține ritmul, buclele de control trebuie să evolueze. Cea mai mare provocare a unui controler cu mai multe faze este gestionarea curentului pe fiecare fază, ceea ce necesită luarea în considerare a următoarelor elemente cheie:
- Fiecare curent de fază trebuie să partajeze în mod egal sarcina. Dacă există un număr de faze N, curentul pentru fiecare fază ar trebui să fie Ifază=Iout/N în orice moment.
- Curenții de fază trebuie să fie echilibrați în timpul stărilor stabile și tranzițiilor.
Este important să menținem aceste condiții; altfel, o să vă blocați în momentul proiectării sursei de putere. Pentru a îndeplini cele două condiții menționate mai sus, este important ca bucla de control să cunoască în permanență curenții pe fiecare fază și tensiunea de ieșire, să nu existe latență sau întârziere de eșantionare.
Introducerea tehnologiei de control sintetic al curentului
Descoperirea făcută de cei de la Renesas a fost posibilă prin utilizarea tehnologiei de control digital, de ultimă generație. Metodologiile de control avansate ar putea fi aplicate prin mutarea în întregime a controlului, monitorizării și compensării în domeniul digital. Rezultatul este o buclă de control sintetic al curentului, care oferă stabilizarea curentului de fază, ciclu-cu-ciclu, cu răspuns tranzitoriu rapid.
Figura 2. Forma de undă a curentului în inductor
Geneza noii scheme de control a fost înțelegerea faptului că, deși semnalul de curent de rampă crescătoare este esențial în bucla de reacție, acesta nu poate fi măsurat direct din cauza timpului scurt de stare activă și a zgomotului ridicat. În schimb, noile controlere multifazate de la Renesas folosesc un semnal sintetic de curent, care este artificial creat, oferindu-i beneficiul de a fi lipsit de zgomot, având o precizie ridicată și fără latențe/întârzieri. Principiul de bază este că toți parametrii implicați în determinarea curentului de fază pot fi măsurați direct pentru fiecare ciclu, permițând controlerului să obțină curentul, așa cum se arată în figura 2.
Panta actuală a formei de undă este legată de tensiunea de intrare/ieșire și de inductanță. Prin măsurarea continuă a tensiunilor și calcularea inductanței, se generează o formă de undă sintetică. Calibrarea prin măsurători reale pe panta descendentă a curentului permite controlerului să elimine orice eroare cauzată de pantă sau offset. Acest lucru permite controlerului să compenseze orice schimbare a sistemului ca urmare a trecerii timpului, a saturației termice sau a saturației inductorului. Pe lângă forma internă de undă de curent fără zgomot, controlerul poate fi poziționat pentru a ține cont de latența buclei. Deoarece rampele curentului prin inductor sunt temporizate cu PWM, al cărui semnal este trimis de la controler, bucla digitală poate contoriza toate întârzierile de propagare prin nivelele sursei de putere inteligente, eliminând astfel latența în formele de undă ale curentului intern.
Figura 3. Schema bloc a buclei de control
Acesta este doar unul dintre avantajele care pot fi exploatate prin controlul total al buclelor de reacție în domeniul digital, având informații despre curent și tensiune. Diagrama bloc din figura 3 arată că prelucrarea digitală a semnalului poate fi aplicată în diferite domenii pentru a îmbunătăți răspunsul general. Compensarea buclei de tensiune se aplică utilizând coeficienții PID convenționali, care pot fi reglați în timp real prin interfața GUI PowerNavigator ™ de la Renesas.
Avantajul controlului sintetic
Cu ajutorul controlului sintetic al curentului, se cunoaște cu exactitate curentul fiecărei faze în cazul unei alimentări multifază, ceea ce permite menținerea funcționării stabile în condiții tranzitorii de încărcare continuă, în care toate fazele controlerului împart în mod egal curentul. Împreună cu latența nulă în bucla de reacție a curentului, controlul sintetic permite dispozitivului să răspundă mai rapid la condițiile de încărcare, minimizând capacitatea pe ieșire. Chiar și cu procesoare care utilizează curenți de valori mari, este posibilă folosirea unei soluții de ieșire cu condensator „complet ceramic”. Cu latență zero, lățime de bandă completă și forme de undă în curent digital, bucla de control poate regla tensiunea de ieșire exact în funcție de încărcarea pe linie, imitând răspunsul exact al profilului de încărcare.
Concluzii
Arhitectura de control multifază a evoluat pentru a răspunde provocărilor alimentării cu energie electrică de curenți mari. Poate regla, controla și monitoriza fiecare parametru prin intermediul software-ului. De la un nivel înalt, această metodă oferă o abordare mai simplă pentru proiectarea și reglarea buclelor de reacție. Capabilitatea în timpul depanării de a înțelege instantaneu starea și condiția sursei de alimentare, împreună cu compensarea condițiilor de zgomot, oferă încrederea că poate face față oricărei provocări viitoare fără a fi nevoie reproiectare.
Referințe
Autor:
Chance Dunlap este director principal la Renesas Electronics.
Chance a obținut BSEE la Universitatea Purdue și MBA-ul de la Universitatea din Arizona.
Renesas Electronics Corporation
