Ограничения пространства печатной платы? Как преобразователи промежуточной шины могут помочь

Архитектура промежуточной шины - это новый метод, который специалисты по проектированию используют для экономии места на печатной плате. В этой статье обсуждаются преимущества и недостатки решения, связанные с применением этого метода, а также то, как его можно масштабировать для удовлетворения требований конкретного приложения.

Сфера силовой электроники превратилась в хорошо зарекомендовавшую себя, хорошо изученную отрасль, которая насчитывает более 100 лет, когда в 1902 году Питером Купером Хьюиттом были изобретены ртутно-дуговые выпрямители. За изобретением этих выпрямителей последовали ламповые выпрямители с горячим катодом в 1926 году, транзисторы в 1948 году, кремниевые транзисторы p-n-p-n в 1956 году, IGBT в 1980 году и многие другие. В 21 веке силовая электроника продолжает развиваться в областях чистой энергии, электромобилей и серверных приложений. Рост в этих развивающихся отраслях требует от проектировщиков энергетики поиска новых и инновационных решений для удовлетворения растущих требований, требующих более компактных и экономичных решений.

Одной из таких новых архитектур является использование преобразователя промежуточной шины (IBC) в энергетических приложениях. В то время как распределенная архитектура питания (DPA) стала отраслевым стандартом для проектирования точек нагрузки (POL), использование архитектуры промежуточной шины (IBA) является новым методом, который позволяет разработчикам уменьшить размер решения и использовать недорогие преобразователи POL. Преобразователи POL представляют собой понижающие преобразователи постоянного тока в постоянный ток, расположенные рядом с нагрузкой, минимизирующие импеданс и обеспечивающие точную подачу напряжения. Это могут быть модули питания, такие как Intel® Enpirion® PowerSoC, или дискретные понижающие преобразователи. Использование IBA для питания преобразователей POL часто может привести к снижению затрат и меньшему размеру решения при сохранении конкурентоспособной эффективности системы.

Рисунок 1. Одноступенчатая традиционная архитектура с распределенным питанием и двухступенчатая архитектура с промежуточной шиной

Преимущества использования IBA по сравнению с DPA зависят от количества преобразованных шин питания, при этом большее количество шин приводит к увеличению пространства и экономии средств. Эффективность системы может оставаться конкурентоспособной в зависимости от используемых преобразователей POL.

Таблица 1. Сравнение компромиссов между IBA и DPA

	Архитектура IBC	Архитектура DPA
Стоимость	Более низкая стоимость за счет меньшего размера катушек индуктивности и преобразователей POL	Более высокая стоимость из-за более высоких технологий производства напряжения и требуемой индуктивности
Эффективность	Более низкий КПД системы из-за потери мощности при преобразовании 1-й ступени	Более высокая эффективность системы при отсутствии промежуточной стадии
Размер решения	Меньший общий размер решения	Большой общий размер решения
Плотность мощности	Решения с более высокой удельной мощностью	Решения с более низкой удельной мощностью
Количество рельсов	Идеально подходит для использования с более чем 3 выходными направляющими	Идеально подходит для использования с <3 выходными направляющими

В следующем обсуждении в качестве примеров дизайна будут использоваться преобразователь промежуточной шины 12 в 6 В Intel EC2650QI и Intel Enpirion PowerSoC.

Таблица 2. Преобразователь промежуточной шины 12 в 6 В Intel Enpirion EC2650QI

Технические характеристики	Возможности
VIN:8–13,2 В	КПД до 94%
VOUT:VIN / 2	Высота 0,9 мм
6 А непрерывный выходной ток	Выходная мощность 36 Вт на преобразователь шины
Размер раствора 150 мм²	Возможность параллельного подключения (до четырех, всего 144 Вт)

Многоступенчатый подход к преобразованию мощности, требующий меньше места на печатной плате

При прямом преобразовании с 12 В в одноступенчатый подход, последующие 12 В преобразователи постоянного тока в постоянный, которые используются, требуют технологического процесса 20 В или выше, чтобы выдерживать большее входное напряжение. Процесс с более высоким напряжением необходим для обеспечения достаточного запаса между рабочим диапазоном и выходом устройства из строя из-за скачков напряжения. Чем больше напряжение, тем больше устройство, поскольку требуется больше места между стоком, истоком и затвором транзисторов внутри.

Напротив, использование двухступенчатого подхода с первым понижением с 12 В до 6 В позволяет использовать модули POL с меньшим входом ниже по потоку. Модули с более низким входным напряжением часто меньше по размеру и имеют конкурентоспособную цену, поскольку для них требуется только технологический процесс 10 В, и им не нужны внутренние схемы для обработки этих более высоких входных напряжений.

Кроме того, при преобразовании с более высоких входных напряжений катушка индуктивности должна выдерживать перепад напряжений во время каждого цикла переключения. При прямом понижении с 12 В требуется более высокая индуктивность или более высокая частота переключения, чтобы минимизировать пульсации на выходе. Часто разработчики мощности предпочитают использовать более высокую индуктивность, потому что более высокая частота переключения обычно означает большие потери мощности и снижение эффективности. Однако эта более высокая индуктивность приводит к большему количеству обмоток вокруг магнитного сердечника индуктора, что увеличивает физический размер индуктора. Использование IBC для понижения напряжения с 12 В до 6 В позволит разработчикам добиться аналогичной пульсации без необходимости увеличивать физический размер катушки индуктивности каждого POL.

Эффективные дизайнерские решения, несмотря на двухэтапный штраф за конверсию

Общая эффективность системы при двухступенчатом подходе во многом зависит от эффективности преобразователя шины. Чтобы избежать обычных потерь при двухступенчатом преобразовании мощности, разработчикам следует выбрать высокоэффективный IBC, такой как EC2650QI, который обеспечивает эффективность преобразования до 94% за счет использования топологии переключаемых конденсаторов.

Например:

При одноступенчатом подходе с прямым преобразованием преобразование 12 В в 3,3 В при 3 А может составить 92% при использовании Intel EN2340QI.

Рисунок 2. Кривая эффективности для Intel Enpirion EN2340QI при напряжении питания 12 В.

При двухступенчатом подходе преобразование 12 В в 6 В сначала может составить 94% с использованием Intel EC2650QI.

• Тогда преобразование 6 В в 3,3 В при 3 А может составить 95% при использовании Intel EN6340QI.
• Наконец, общая эффективность для двухэтапного подхода будет:0,94 x 0,95 =89,3%.

Рисунок 3. Кривая эффективности для Intel Enpirion EC2650QI дает Vin, равное 12 В.

Рисунок 4. Кривая эффективности для Intel Enpirion EN6340QI при напряжении Vin 5 В.

Сравнивая 92% и 89,3%, мы видим, что IBC создает некоторые дополнительные потери эффективности, которых нет в подходе прямого преобразования. Однако для некоторых разработчиков или приложений энергопотребления экономия места может перевесить компромисс в эффективности.

Эту потерю эффективности можно дополнительно уменьшить, выбрав несколько вариантов дизайна, сохранив при этом экономию места, полученную при использовании IBC. Проектировщики электроэнергии могут выбрать конструкцию IBC на слаботочных рельсах, что позволит минимизировать потерю дополнительной мощности. Они также могут выбрать более крупные преобразователи, которые могут сделать общую конструкцию более эффективной. Использование IBC позволяет инженерам масштабировать свой выбор дизайна, чтобы найти архитектуру, которая идеально сочетает их размерные ограничения, требования к эффективности и потребности в затратах.

Когда разработчикам систем следует выбирать разработку с IBA?

Как правило, проектировщики мощности должны учитывать IBA, когда у них есть строгие требования к размеру решения или стоимости, но есть некоторая гибкость в эффективности. В частности, использование этого двухэтапного подхода часто бывает наиболее выгодным при преобразовании 3 или более рельсов, поскольку преимущества меньшего размера решения и более низкой стоимости становятся все более очевидными. Как указано выше, архитектура IBC может быть масштабирована и адаптирована для удовлетворения конкретных требований проектирования.

Например, если мы используем Intel EN2342QI для следующих четырех перил, расчетная эффективность системы составит примерно 87% при общем размере решения 800 мм². Если мы используем IBC с четырьмя преобразователями POL меньшего размера, расчетная эффективность системы составляет примерно 84% при общем размере решения 390 мм². Двухэтапный подход имеет сопоставимую эффективность, при этом для него требуется меньше половины места на печатной плате, что на 51% больше! С каждым дополнительным ограждением можно сэкономить в среднем 100 мм² места и еще больше сэкономить на расходах.

Рисунок 5. Примеры деревьев мощности для одноэтапной и двухступенчатой ​​архитектуры IBC с использованием небольших POL

Таблица 3. Сравнение общей эффективности и размера решения на уровне системы

Одноэтапный с использованием больших POL	Двухэтапный с использованием малых POL
Эффективность:~ 87%	Эффективность:~ 84%
Общий размер раствора:800 мм²	Общий размер раствора:390 мм²

По мнению некоторых разработчиков, значительная экономия места и затрат может компенсировать снижение эффективности системы. Однако эффективность можно дополнительно настроить и улучшить, заменив некоторые небольшие преобразователи POL на более крупные, как в следующем примере.

Рисунок 6. Примеры деревьев мощности для одноэтапной и двухступенчатой ​​архитектуры IBC с использованием малых и больших POL

Таблица 4. Сравнение общей эффективности и размера решения на уровне системы

Одноэтапный с использованием больших POL	Двухэтапный с использованием малых и больших точек доступа
Эффективность:~ 87%	Эффективность:~ 85%
Общий размер раствора:800 мм²	Общий размер решения:590 мм²

В приведенном выше примере мы заменили два небольших преобразователя EN6340QI POL на более крупные и эффективные преобразователи EN6362QI. После этого эффективность увеличилась до более чем 85%, при этом размер решения все еще на 26% меньше по сравнению с подходом DPA.

IBA предоставляет дополнительные инструменты проектирования для индивидуальных решений

Таким образом, IBA предоставляет дополнительный инструмент проектирования и уникальную возможность для инженеров настроить решение, отвечающее их конкретным потребностям. Включение преобразователя промежуточной шины позволяет разработчикам электроэнергии использовать модули, требующие как технологического процесса с низким напряжением, так и индуктивности. Эти изменения напрямую приводят к уменьшению общих размеров решения.

Любую потерю мощности в дополнительном каскаде можно уменьшить, используя высокоэффективный IBC и выбрав конструкцию для конкретного приложения. Одним из таких примеров является Intel Enpirion EC2650QI, который может использоваться параллельно с четырьмя устройствами для создания шины 144 Вт, при этом для каждого устройства требуется всего 150 мм² в общем размере решения.

Дополнительные ресурсы

• Информационная страница Intel Enpirion
• Видео на YouTube о решениях Intel Enpirion Power Solutions
• Страница продукта EC2650QI
• Обзор Intel EC2650QI, видео на YouTube

Отраслевые статьи - это форма контента, позволяющая отраслевым партнерам делиться полезными новостями, сообщениями и технологиями с читателями All About Circuits, что не подходит для редакционного контента. Все отраслевые статьи подлежат строгим редакционным правилам с целью предлагать читателям полезные новости, технические знания или истории. Точки зрения и мнения, выраженные в отраслевых статьях, принадлежат партнеру, а не обязательно All About Circuits или ее авторам.