By
Требования к инженерным решениям для телекоммуникационного оборудования продолжают расти. Эти решения теперь должны обеспечивать большее напряжение шин питания для разнообразных цифровых сигнальных процессоров (DSP), программируемых логических матриц (FPGA), специализированных ИС (ASIC) и микропроцессоров. Иными словами, от инженеров требуется создавать большее напряжение при более высоких токах, с повышенным КПД, меньшими шумами при меньших занимаемых площадях. Кроме того, решение это должно быть более выгодное по цене.
Размер/Производительность/ Стоимость
Необходимость учитывать одновременно размер, производительность и стоимость оборудования возродила интерес инженеров к проектированию систем питания. В первом поколении таких систем на плате использовали распределенную структуру схемы питания (см. рис. 1).
Рис. 1. Типовая схема распределенной структуры питания
Эта схема построена на изолированном блоке питания для каждого напряжения питания. Это было приемлемо до критического увеличения количества шин питания, при котором также увеличивалась стоимость и занимаемая площадь на печатной плате. Контроль напряжений питания на всех шинах также был усложнен и требовал дополнительных внешних цепей, которые в свою очередь увеличивали стоимость и размеры устройств на плате.
Чтобы избавиться от ограничений по размеру и стоимости в распределенной структуре питания, во втором поколении схем начали использовать архитектуру с одной шиной с фиксированным напряжением (IBA) (см. рис. 2).
Рис. 2. Архитектура IBA с одной шиной питания
Такая схема использовала единственный изолированный источник питания и много неизолированных DC/DC-преобразователей (POL — Point of Load). Эти преобразователи POL могут быть как в виде модулей, таких как модули серии PTH от Texas Instruments (TI), так и в виде дискретных понижающих конверторов. Изолированный преобразователь работает при таком же входном напряжении, как и преобразователь первого поколения, в диапазонах от 36 до 75 В или от 18 до 36 В. Данная архитектура требует создания стабилизируемых напряжений на 3,3, 5 или 12 В. Конечный выбор напряжений определяется разработчиком. Такая топология позволяет уменьшить место на плате и стоимость, упрощает управление последовательностью включения разных напряжений благодаря наличию функции Auto-TrackTM в DC/DC-модулях TI. Единственным недостатком этой системы является снижение эффективности из-за двойного преобразования, требуемого для каждого напряжения.
В данном примере преобразователь тока ALD17 5:1 создает напряжение на выходе в 5 раз меньше, чем на входе. Такая технология позволяет спроектировать систему/плату мощностью в 150 Вт с размером 1/16 brick, при которой достигалась бы 96-процентная эффективность системы в первичном каскаде преобразования.
Появление на рынке силовых модулей, таких, как продукты T2 производителя Texas Instruments, и использование ШИМ-модуляции при широком диапазоне входных напряжений от 4,5 до 14 В, дало возможность использовать нерегулируемое напряжение на основной шине питания. Максимальный диапазон входного напряжение преобразователя шины должен быть в пределах от 36 до 55 В, чтобы входное напряжение на вторичных POL-преобразователях не превышало 12 В. Максимальное напряжение в 12 В необходимо из-за того, что POL-преобразователи понижают напряжение до 1 В или ниже, при этом входное напряжение не может быть в 10-12 раз больше, чем выходное. Все больше производителей (ОЕМ) коммуникационного оборудования переходят к использованию систем с ограниченным диапазоном входных напряжений для значительного снижения себестоимости и габаритов схемы и повышения ее производительности.
Некоторые же из производителей коммуникационного оборудования являются приверженцами использования традиционной топологии преобразования с более широким диапазоном входных напряжений — от 36 до 75 В, с входными импульсными помехами до 100 В. Чтобы удовлетворить требования всех потребителей, специалисты в области силовой электроники разработали псевдорегулируемую архитектуру IBA (cм. рис. 4).
Главное отличие этой IBA от нерегулируемой IBA в том, что, если напряжение входного сигнала превышает 55…60 В, псевдорегулируемая IBA снижает выходное напряжение до 10 В. Недостатки этого метода в том, что изолированный источник питания должен быть больше по размеру, для того чтобы разместить схему регулирования, и производительность схемы снижается при повышении напряжении входного сигнала более чем на 55 В. Примером такой типологии приборов является продукт Texas Instruments серии PTQB, создающий вспомогательное линейное напряжение при максимальном моменте.
Сравнение архитектур
Для более точного сравнения в каждом примере на рис. 2, 3 и 4 используются одинаковое напряжение и ток на выходе.
Рис. 3. Нерегулируемая IBA
Рис. 4. Псевдорегулируемая IBA
Данные примеры основаны на теоретической базовой станции, используемой многофункциональные цифровые сигнальные процессоры (DSP) с соответствующими аналоговыми и цифровыми цепями. Напряжения на выходе составляют 3,3 В при 5 A, 2,5 В при 6,5 A, 1,8 В при 11 A, и 1,2 В при 20 A. Сравнение архитектур, описанных ранее, показано на рис. 5.
Рис. 5. Сравнение архитектур. (а) сравнение стоимости (б) сравнение занимаемого на плате места (в) сравнение КПД систем
Данные схемы показывают, что самая смелая мечта вполне осуществима. Псевдорегулируемая и нерегулируемая системы электропитания способствуют более высокой производительности схемы при меньших габаритах устройств и более низкой их себестоимости.
Наиболее значительное отличие в псевдо- и нерегулируемой IBA по сравнению с IBA второго поколения с фиксированным напряжением — более высокий КПД. Как показано на рис. 5, КПД регулятора мощности возрос почти на 7%. Это ведет к снижению тепловой нагрузки до 14 Вт для системы мощностью в 200 Вт.
В данных примерах были использованы силовые модули, так как они дают наивысшую плотность мощности и используются многими изготовителями телекоммуникационного оборудования. Для снижения себестоимости во всех системах могут быть использованы POL DC/DC-преобразователи на дискретных элементах, но их применение ведет к увеличению занимаемого на плате места практически в 2 раза.
Электрические характеристики
Оставшаяся задача для разработчиков — удовлетворение требованиям приложения c высокопроизводительными цифровыми сигнальными процессорами, повышающими электрическую мощность в центре каждой системы. Первостепенное значение в характеристиках такого оборудования имеют регулирование напряжения, реакция на изменение нагрузки и уровень производимых помех.
Регулировка напряжения и реакция на изменение нагрузки тесно связаны друг с другом. Для достижения высокого КПД с малой мощностью в меньших габаритах изготавливаются цифровые полупроводники с меньшими по размеру транзисторами, требующие постоянно уменьшающегося напряжения питания. Становятся стандартными требования к напряжению в сердечнике Sub-1-V. Вместе с таким низким напряжением имеет место ужесточающийся допуск отклонения в узких пределах. Обычной практикой становится задавать допустимое отклонение напряжения 3%, что включает вариации во входном напряжении, нагрузке (малые отклонения по току в нагрузке), время, температуру и переходные токи. Таким образом, разработчику остается лишь свободных 30 мВ для размещения всего, что требует цифровая система. Около половины допусков (15 мВ) обычно расходуется параметрами линии постоянного тока, нагрузкой, временем и температурой. Оставшиеся 15 мВ можно использовать для регулирования внезапных изменений в нагрузке по току (от 1 до 3 тактовых циклов), из-за передачи цифровых данных от блока к блоку.
Такой малый запас допустимого отклонения заставляет разработчика систем электропитания минимизировать отклонения напряжения при этих переходных токах. Если напряжение на цифровом ядре превышает указанные лимиты допусков, цифровая схема может инициировать перегрузку или выдавать логические ошибки. Для предотвращения подобных ситуаций разработчикам следует обратить пристальное внимание на характеристику устойчивости к переходным процессам используемых модулей POL.
Цифровые нагрузки типа современных гигагерцовых сигнальных процессоров DSP требуют чрезвычайно быстрых переходных режимов с очень низким отклонением напряжения. Для этого к преобразователю DC/DC обычно добавляют много дополнительных выходных конденсаторов, чтобы продлить время задержки сигнала до появления сигнала обратной связи. Силовой модуль с этим дополнительным конденсаторами, удовлетворяющий требованиям системы по допускам напряжения переходных процессов, представляет комплексное решение по энергоснабжению системы.
Удельная мощность конденсаторов с каждым годом увеличивается. Но даже при большей удельной мощности размеры дискретной системы могут более чем в два раза превышать размеры силового модуля. Таким образом, необходимо много дополнительного места на печатной плате, что нереально в современных малогабаритных системах. Более того, стоимость конденсаторов и материалов, из которых изготовлены источники питания, могут в два раза превышать стоимость готового силового модуля.
Инновации в технологии силовых модулей постоянного тока позволили системным разработчикам достигать быстрейшей реакции на переходные процессы и меньшего отклонения напряжения при меньшей емкости на выходе. Примером таких устройств являются модули нового поколения PTH компании Texas Instruments из серии T2, изготовленные в корпусах для монтажа в отверстия (рис. 6).
Рис. 6. Силовые модули серии T2 с функцией TurboTransTM
Данные устройства используют новую запатентованную технологию, которая называется«TurboTransTM». Технология позволяет пользователю настроить модуль так, чтобы он отвечал специфическим требованиям импульсной нагрузки. Настройка осуществляется одним внешним резистором.
Функция «TurboTransTM» позволяет уменьшить емкость выходных конденсаторов в 8 раз, что экономит затраты на элементы и уменьшает площадь печатной платы. Технология выгодна еще тем, что использование конденсатора с ультранизким эквивалентным последовательным сопротивлением (ESR) повышает стабильность системы. Эти новейшие выходные конденсаторы Oscon, полимер-танталовые и керамические, имеют еще одно достоинство — они способны выдерживать высокие температуры и процесс высокотемпературной бессвинцовой пайки.
Еще одна характеристика изолированных и POL-модулей — это шум (помехи). Когда POL-модули запущены на разных частотах на одной общей входной шине, результирующие суммарные или разностные частоты могут создавать частоту биения, что может потребовать значительного усложнения фильтра ЭМИ. Как пример, если система имеет два POL-модуля работающих на частотах 300 и 301 кГц, то частота биения будет 1 кГц. Для этого могут понадобиться более сложные системные фильтры. Силовые модули серии Т2 компании TI имеют функцию SmartSync, позволяющую разработчикам синхронизировать частоты нескольких модулей серии Т2 и настроить их на специфическую частоту, тем самым способствуя снижению электромагнитных помех. Функция SmartSync может быть использована для установки частоты таким образом, чтобы свести к минимуму шум включения/выключения на определенной частоте передачи. «TurboTrans» и SmartSync — это стандартные функции силовых модулей серии Т2, которые не добавляют стоимости к системам, описанным ранее.
Системы телекоммуникации, построенные на ультрасовременных силовых модулях, позволяют системным разработчикам сократить размеры систем, уменьшить рассеиваемую мощность, удовлетворять требования по электропитанию высокоэффективных цифровых схем и снизить стоимость энергии по сравнению с системами на архитектуре IBA с регулируемым напряжением.
http://www.compeljournal.ru/enews/2008/9/8
Comments