Capacitatea de comutare fără întrerupere între linia de curent alternativ şi sursa locală de rezervă pe baterii, arhitectura IBA (intermediate-bus architecture) pe care industria de telecomunicaţii a rafinat-o pe parcursul anilor pentru a deveni competitivă din punct de vedere al costurilor cu sursele tradiţionale offline este o soluţie mai atractivă ca niciodată pentru arhitecţii de sisteme cu mare disponibilitate pentru o gamă largă de industrii.
de Patrick Le Fèvre, Director de Marketing şi Comunicaţii, Ericsson Power Modules
www.ericsson.com/powermodules
Optimizarea eficienţei conversiei pentru condiţii de sarcină variabilă în timp
După cum ilustrează figura 4, o placă tipică de sistem IBA include un IBC care transformă magistrala de distribuţie de putere într-o magistrală intermediară de nivel în care un număr de stabilizatoare puncte de sarcină (POL) o utilizează pentru a genera tensiunile finale. Montarea în cascadă a convertoarelor DC-DC prin această cale poate să nu fie cea mai intuitivă abordare pentru maximizarea eficienţei sau minimizarea numărului de componente. Alternativa evidentă este de a oferi izolaţie şi conversie coborâtoare către nivelul final într-o singură componentă, după cum o demonstrează modelul clasic al DPA (distributed power architecture). Acest aranjament încă poate crea mai multe probleme decât rezolvă deoarece mai multe convertoare izolate DC-DC pe placă sunt mai complexe, mai scumpe şi mai puţin eficiente decât un IBC şi echivalentul complementar pentru convertoarele neizolate coborâtoare de tensiune. De asemenea, probleme precum eficienţa echilibrului conversiei, stabilitatea necondiţionată a sarcinii şi performanţele răspunsului tranzitoriu, fac dificilă gestionarea unui număr mare de rapoarte de conversie coborâtoare, necesare proceselor de joasă tensiune într-un singur pas.
Coborârea de la 48Vdc la nivelul optim de magistrală intermediară pentru POL rămâne încă dificil de specificat. În ciuda paradoxului prin care tensiunile pe semiconductor scad pentru a crea ieşiri de conversie coborâtoare mai mari pentru POL, nivelul de magistrală intermediară de 12VDC, ce îşi are originile în alimentarea componentelor de 12/5VDC, se potriveşte acum cel mai bine plăcilor ce consumă 150W sau mai mult. Experienţa arată că mai jos de aproximativ 150W, 12VDC poate să nu fie cea mai potrivită, iar mai jos de 75W chiar nu este o opţiune realistă, făcând ca vânzătorii să ofere IBC-uri cu opţiuni de tensiuni de ieşire prestabilite precum 9, 5 şi 3,3VDC, oferite de BMR453 şi derivata sa cu opt-componente, BMR454. Valorile prestabilite sunt uzual bune pentru sisteme ce întâlnesc variaţii de sarcină mici, dar implicaţiile pentru sistemele de comandă grele sunt evidente – pentru eficienţă optimă trebuie să poată fi reglată tensiunea magistralei intermediare după cum se schimbă cerinţele de sarcină.
Cât de bine se poate implementa această strategie pentru un sistem de putere particular va depinde de factori precum configuraţia hardware, magnitudinea schimbărilor de nivel de sarcină şi căile de comandă în funcţie de timp ce este posibil să fie predictibile în mod rezonabil. Aceşti factori nu trebuie să fie daţi, după cum algoritmii inteligenţi pot minimiza continuu pierderile de energie în circumstanţe nepredictibile, fără a compromite stabilitatea sursei, obiectiv cheie al proiectului. Ca rezultat, strategiile de control agresive de tip “bang-bang” nu se potrivesc cu software-ul de control cu abordare delicată, care favorizează întotdeauna disponibilitatea de putere în contra minimizării, pentru a putea răspunde creşterii rapide a cerinţei de sarcină.
O abordare pragmatică în dezvoltarea algoritmilor de control începe cu stabilirea unei valori de referinţă a pierderii de putere prin înregistrarea tensiunilor de intrare şi ieşire şi a nivelelor de curent la IBC şi la fiecare POL prin comenzi PMBus în timpul funcţionării sistemului, cu posibilitatea de asemenea a monitorizării şi corelării temperaturii on chip de pe fiecare dispozitiv. În operare, software-ul de aplicaţie calculează pierderea de putere până la atingerea unei valori de prag, care declanşează un ciclu de optimizare şi stabileşte tensiunea de magistrală pentru eficienţă maximă. Rutina întotdeauna verifică riscul de supracurent şi, dacă este necesar, creşte tensiunea magistralei la nivele sigure. Figura 5 prezintă grafic impactul asupra pierderii de putere ce rezultă din variaţia tensiunii de magistrală intermediară a BMR453 de la fără sarcină până la 300 W pe care plăcile de înaltă densitate de astăzi pot să o consume.
Un punct de rupere clar este acolo unde fiecare combinaţie de condiţii converge, în care reglajele deasupra sau sub acest punct către tensiunea de magistrală furnizează economii apreciabile de energie, multiplicate de economii în circuite similare şi pentru infrastructuri de comunicaţii prin multiple sisteme care lucrează în paralel pentru a oferi capacitate adecvată. Unii oameni numesc acest fenomen “efectul becului” – economisirea câtorva W prin alegerea unor surse de lumină economice energetic face consumatorul să se simtă bine şi să reducă factura la energie, dar efectul global asupra consumului energetic al societăţii este masiv.
Eforturile de dezvoltare se îndreaptă către software
La fel ca şi în cazul oricărei alte clase de dispozitive programabile, din perspectiva utilizatorului, efortul de dezvoltare care produce hardware-ul fizic este invizibil în comparaţie cu orice dezvoltare software necesară a fi aplicată componentei. Conform acestui lucru, producătorii investesc în mediile de dezvoltare, deoarece provocările aplicaţiilor şi calitatea acestor medii reprezintă adesea factorii de decizie finali în procesul de selecţie a componentelor. Acest model se aplica puternic convertoarelor digitale de putere, controlului PMBus şi metodelor de management energetic care rămân nefamiliare multor proiectanţi.
Pentru a face aceste subiecte uşor accesibile oricărei persoane ce dispune de un PC şi o sursă de tensiune, Ericsson oferă un kit de evaluare ce include elemente hardware şi software. După cum poate vă aşteptaţi, el include eşantioane de IBC-uri digitale şi POL-uri ale companiei şi software proiectat în principal pentru a exploata la maxim caracteristicile lor. Mai deosebit poate apărea faptul că platforma poate comunica de asemenea cu orice dispozitiv conform PMBus şi poate schimba mesaje de lungime mare, făcând-o utilă pentru dezvoltarea şi depanarea sistemelor din lumea reală.
Mai multe detalii pot fi identificate pe website-ul companiei www.ericsson.com/powermodules
împreună cu o arhivă de materiale legate de conversia digitală de putere, utilă ca resursă de uz general oricărei persoane ce doreşte să înveţe mai multe despre tehnologie şi tehnici de aplicare a ei.