PCB-ruimtebeperkingen? Hoe tussenliggende busconverters kunnen helpen

Intermediaire busarchitectuur is een opkomende methode die energieontwerpers gebruiken om PCB-ruimte te besparen. Dit artikel bespreekt de voordelen en nadelen van de toepassing van deze techniek, en hoe deze kan worden geschaald om aan toepassingsspecifieke vereisten te voldoen.

Het gebied van vermogenselektronica is een gevestigde, sterk onderzochte industrie geworden die meer dan 100 jaar teruggaat tot de uitvinding van kwik-booggelijkrichters in 1902 door Peter Cooper Hewitt. De uitvinding van deze gelijkrichters werd gevolgd door gasbuisgelijkrichters met hete kathode in 1926, transistors in 1948, p-n-p-n siliciumtransistoren in 1956, de IGBT in 1980 en nog veel meer. In de 21e eeuw blijft vermogenselektronica evolueren op het gebied van schone energie, elektrische voertuigen en servertoepassingen. Groei in deze opkomende industrieën vereist dat energieontwerpers nieuwe en innovatieve oplossingen vinden om te voldoen aan veranderende eisen die kleinere, meer kosteneffectieve oplossingen vereisen.

Een van die opkomende architectuur is het gebruik van een Intermediate Bus Converter (IBC) in energietoepassingen. Hoewel de distributed power architecture (DPA) een industriestandaard is geworden voor point-of-load (POL)-ontwerpen, is het gebruik van intermediate bus architecture (IBA) een opkomende methode waarmee ontwerpers de oplossingsgrootte kunnen verkleinen en goedkope POL-converters kunnen gebruiken. POL-converters zijn step-down DC-DC-converters in de buurt van de belasting, waardoor de impedantie wordt geminimaliseerd en een nauwkeurige spanningstoevoer wordt geboden. Dit kunnen ofwel voedingsmodules zijn, zoals Intel® Enpirion® PowerSoC's, of discrete buck-converters. Het gebruik van IBA om POL-converters van stroom te voorzien, kan vaak leiden tot lagere kosten en kleinere oplossingsgroottes, terwijl de concurrerende systeemefficiëntie behouden blijft.

Figuur 1. Eentraps traditionele gedistribueerde voedingsarchitectuur versus 2-traps tussenliggende busarchitectuur

De voordelen van het gebruik van IBA boven DPA zijn afhankelijk van het aantal omgebouwde stroomrails, waarbij meer rails resulteert in meer ruimte en kostenbesparingen. De systeemefficiëntie kan concurrerend blijven, afhankelijk van de gebruikte POL-converters.

Tabel 1. Vergelijking van compromissen tussen IBA en DPA

In de volgende bespreking zullen de Intel EC2650QI 12-naar-6 V Intermediate Bus Converter en Intel Enpirion PowerSoC's worden gebruikt als ontwerpvoorbeelden.

Tabel 2. Intel Enpirion EC2650QI 12-naar-6 V tussenliggende busconverter

Meertraps stroomconversiebenadering die minder PCB-ruimte vereist

Bij directe conversie van 12 V in een 1-traps benadering, hebben de daaropvolgende 12 V DC-DC-stroomomvormers die worden gebruikt een procestechnologie van 20 V of hoger nodig om de grotere invoer te weerstaan. Het hogere spanningsproces is nodig om voldoende marge te garanderen tussen het werkbereik en het defect raken van het apparaat als gevolg van spanningspieken. Hoe groter het spanningsproces, hoe groter het apparaat, omdat er meer ruimte nodig is tussen de drain, source en gate van de transistors binnenin.

Daarentegen maakt het gebruik van een tweetrapsbenadering door eerst van 12 V naar 6 V te gaan, POL-modules met een lagere ingang stroomafwaarts mogelijk. De modules met een lagere ingangsspanning zijn vaak kleiner en scherp geprijsd omdat ze slechts een 10 V-procestechnologie nodig hebben en geen interne schakelingen nodig hebben om deze hogere ingangsspanningen aan te kunnen.

Bovendien moet de inductor bij het converteren van hogere ingangsspanningen in staat zijn om het spanningsverschil tijdens elke schakelcyclus aan te kunnen. Bij het direct terugschakelen van 12 V is een hogere inductantie of hogere schakelfrequentie vereist om de uitgangsrimpel tot een minimum te beperken. Vaak kiezen energieontwerpers ervoor om een ​​hogere inductantie te implementeren, omdat een hogere schakelfrequentie meestal meer vermogensverlies en verminderde efficiëntie betekent. Deze hogere inductantie vertaalt zich echter in meer wikkelingen rond de magnetische kern van een inductor, waardoor de fysieke grootte van de inductor toeneemt. Door de IBC te gebruiken om van 12 V naar 6 V te gaan, kunnen ontwerpers in plaats daarvan een vergelijkbare rimpel bereiken zonder de fysieke grootte van de inductor van elke POL te vergroten.

Efficiënte ontwerpoplossingen ondanks de conversieboete in twee fasen

De algehele systeemefficiëntie in een tweetrapsbenadering is sterk afhankelijk van de efficiëntie van de busconverter. Om de gebruikelijke tweetraps vermogensconversie te vermijden, moeten ontwerpers een zeer efficiënte IBC kiezen, zoals de EC2650QI, die tot 94% conversie-efficiëntie levert door gebruik te maken van een geschakelde condensatortopologie.

Bijvoorbeeld:

In een 1-fase, directe conversiebenadering, zou het converteren van 12 V naar 3,3 V bij 3 A 92% kunnen zijn met behulp van de Intel EN2340QI.

Figuur 2. Efficiëntiecurve voor de Intel Enpirion EN2340QI gegeven een Vin van 12V.

In een tweetrapsbenadering zou het omzetten van 12 V naar 6 V eerst 94% kunnen zijn met behulp van de Intel EC2650QI.

• Dan zou het omzetten van 6 V naar 3,3 V bij 3 A 95% kunnen zijn met de Intel EN6340QI.
• Uiteindelijk zou de totale efficiëntie voor de 2-fasenbenadering zijn:0,94 x 0,95 =89,3%.

Figuur 3. Efficiëntiecurve voor de Intel Enpirion EC2650QI geeft een Vin van 12V.

Figuur 4. Efficiëntiecurve voor de Intel Enpirion EN6340QI gegeven een Vin van 5V.

Bij het vergelijken van 92% versus 89,3%, zien we dat de IBC enkele extra efficiëntieverliezen creëert die niet aanwezig zijn in een directe conversiebenadering. Voor sommige energieontwerpers of toepassingen kunnen de gewonnen ruimtebesparingen echter opwegen tegen de compromissen op het gebied van efficiëntie.

Dit verlies aan efficiëntie kan verder worden beperkt door verschillende ontwerpkeuzes, terwijl de ruimtebesparing door het gebruik van de IBC behouden blijft. Stroomontwerpers kunnen ervoor kiezen om de IBC specifiek op laagstroomrails te ontwerpen, waardoor het extra verloren wattage wordt geminimaliseerd. Ze kunnen er ook voor kiezen om grotere converters te selecteren, wat het algehele ontwerp efficiënter kan maken. Door de IBC te gebruiken, kunnen ingenieurs hun ontwerpkeuzes schalen om een ​​architectuur te vinden die perfect past bij hun groottebeperkingen, efficiëntie-eisen en kostenbehoeften.

Wanneer moeten systeemontwerpers ervoor kiezen om met IBA te ontwerpen?

Over het algemeen zouden energieontwerpers IBA moeten overwegen wanneer ze strikte vereisten voor oplossingsgrootte of kosten hebben, maar enige flexibiliteit in efficiëntie. In het bijzonder is het gebruik van deze tweetrapsbenadering vaak het voordeligst bij het ombouwen van 3 of meer rails, aangezien de voordelen van een kleinere oplossingsgrootte en lagere kosten steeds duidelijker worden. Zoals hierboven vermeld, kan een IBC-architectuur worden geschaald en aangepast om aan specifieke ontwerpvereisten te voldoen.

Als we bijvoorbeeld de Intel EN2342QI gebruiken voor de volgende vier leuningen, is de geschatte systeemefficiëntie ongeveer 87% met een totale oplossingsgrootte van 800 mm². Als we de IBC gebruiken met vier kleinere POL-converters, is de geschatte systeemefficiëntie ongeveer 84% met een totale oplossingsgrootte van 390 mm². De 2-traps benadering heeft een vergelijkbare efficiëntie en vereist minder dan de helft van de PCB-ruimte, een toename van 51% in ruimtebesparing! Bij elke extra reling is er gemiddeld 100 mm² ruimtebesparing en nog meer kostenbesparing.

Figuur 5. Voorbeelden van powertrees voor 1-traps versus 2-traps IBC-architectuur met kleine POL's

Tabel 3. Vergelijking op systeemniveau van totale efficiëntie en oplossingsomvang

Voor sommige ontwerpers kunnen de drastische ruimte- en kostenbesparingen de afname van de systeemefficiëntie compenseren. De efficiëntie kan echter verder worden afgesteld en verbeterd door enkele kleine POL-converters te vervangen door grotere, zoals in het volgende voorbeeld.

Figuur 6. Voorbeelden van powertrees voor 1-traps versus 2-traps IBC-architectuur met kleine en grote POL's

Tabel 4. Vergelijking op systeemniveau van totale efficiëntie en oplossingsomvang

In het bovenstaande voorbeeld hebben we twee van de kleine EN6340QI POL-converters vervangen door de grotere, efficiëntere EN6362QI-converters. Hierna nam de efficiëntie toe tot meer dan 85%, met een nog steeds 26% kleinere oplossingsgrootte in vergelijking met een DPA-aanpak.

IBA biedt aanvullende ontwerptools voor oplossingen op maat

Samenvattend biedt IBA een extra ontwerptool en een unieke kans voor ingenieurs om een ​​oplossing op maat te maken die aan hun specifieke behoeften voldoet. Door de tussenliggende busconverter op te nemen, kunnen energieontwerpers modules gebruiken die zowel een proces met een lagere spanning als inductantie vereisen. Deze veranderingen vertalen zich direct in kleinere totale oplossingsgroottes.

Elk vermogen dat verloren gaat door de extra trap kan worden beperkt door een zeer efficiënte IBC te gebruiken en toepassingsspecifieke ontwerpkeuzes te maken. Een voorbeeld hiervan is de Intel Enpirion EC2650QI, die parallel kan worden geschakeld met maximaal vier apparaten om een ​​bus van 144 W te creëren, waarbij elk apparaat slechts 150 mm² totale oplossing nodig heeft.

Aanvullende bronnen

• Intel Enpirion informatiepagina
• Inleiding tot Intel Enpirion Power Solutions Youtube-video
• EC2650QI-productpagina
• Intel EC2650QI Overzicht Youtube-video

Industrieartikelen zijn een vorm van inhoud waarmee branchepartners nuttig nieuws, berichten en technologie kunnen delen met lezers van All About Circuits op een manier waarop redactionele inhoud niet goed geschikt is. Alle brancheartikelen zijn onderworpen aan strikte redactionele richtlijnen met de bedoeling de lezers nuttig nieuws, technische expertise of verhalen te bieden. De standpunten en meningen in brancheartikelen zijn die van de partner en niet noodzakelijk die van All About Circuits of zijn schrijvers.