Обзор трёх составляющих современной архитектуры распределённого питания

Представлены изменения трёх архитектур распределённого питания в ряде новых элементных решений. В последние годы быстро развивающаяся информационная инфраструктура привела к революционным изменениям в архитектуре распределённого питания. В этой статье рассматривается три элемента, отражающих изменения в этой архитектуре: внедрение промежуточной шинной архитектуры, наступление эры цифрового управления питанием и тенденция к управлению питанием в точке нагрузки (Point Of Load). Каждый элемент представляет собой новый вклад в решение проблемы распределения питания и даёт возможность поднять общую работоспособность и эффективность системы на качественно новый уровень.

Архитектура промежуточной шины

Около пяти лет назад в проектировании систем управления питанием наступил переломный момент. Резервы систем воздушного охлаждения стоек в телекоммуникационных системах и системах передачи данных достигли предела.

Всё большее распространение DSP, FPGA и ASIC чипов, стимулируемое неуёмным спросом потребителей на всё больший объём информации и полосу пропускания, увеличило число и сложность нагрузок до такой степени, при которой структура распределения питания (см. рис. 1), использующая единственный изолированный многовыводной DC-DC преобразователь на каждой системной карте, перестала справляться. Индивидуальные токи нагрузок достигли уровня, при котором падение напряжения I*R на дорожках печатной платы между преобразователем и любой нагрузкой приводит к искажениям напряжения.

Рис.1. Типовая структура распределения питания, использующая единственный изолированный многовыводной модульный преобразователь постоянного тока на каждой системной карте

Решением стала замена одного изолированного многовыводного преобразователя на двухуровневую структуру. Эти метаморфозы, изображённые на рис. 2, предъявляют определенные требования: каждый уровень должен занимать меньше половины объёма исходного решения, а их последовательная комбинация должна показать более высокую суммарную эффективность.

Обычно такая архитектура использует недорогой, грубо регулируемый первичный преобразователь, выполняющий функцию изоляции и понижения напряжения, и эффективный высокоточный второй, расположенный вблизи нагрузки. Первый конвертер называют промежуточным шинным преобразователем (ПШП). ПШП обычно преобразует нестабильное напряжение первичной шины в напряжение со стабильной скоростью нарастания. Регулировка тока нагрузки производится, как правило, грубо: обычно ±10 % .

Рис.2. Каждый уровень архитектуры с промежуточной шиной должен занять меньше половины объёма исходного решения

Во многих случаях все регулирование происходит на начальном этапе, при контроле выходного напряжения через обратную связь, создаваемую дополнительной вспомогательной обмоткой, которая так же обеспечивает питание первичных элементов управления и управляет схемой после запуска. Преобразователи, расположенные вблизи нагрузки (point-of-load - POL), наоборот, имеют узкий диапазон регулирования - меньше чем ±1 % и не изолированы. Первичная шина имеет напряжение от -36 до –72В в телекоммуникационных системах или от +43 до +53В в системах передачи данных. Напряжение промежуточной шины обычно составляет от 8 до 14В.

Это фундаментальное изменение в архитектурах распределения питания в значительной степени стимулировало развитие новых разработок ИС, регуляторов и модульных преобразователей постоянного тока. Регуляторы второго уровня (вблизи нагрузки) не так давно стали объектом стандартизации.

Чтобы установить общие стандарты конструкции и интерфейса, были сформированы три альянса (Альянс открытых стандартов распределения питания (DOSA), Альянс источников питания «вблизи нагрузки» (POLA) и Альянс монтируемых на плату источников питания (BMPS) - проект ассоциации изготовителей источников электропитания (PSMA)). Теперь эта отрасль также вошла в число областей, где традиционные роли в цепочке поставок изменились: производители полупроводников выпускают модульные преобразователи питания, в то время как изготовители блоков питания стали внедрять миниатюрные полупроводниковые преобразователи собственной разработки.

Цифровое управление питанием

Цифровое управление обладает целым рядом преимуществ, такими как экономичность, гибкость и надежность. Современные технологии позволяют производить элементы всё меньших габаритов, в том числе цифровые преобразователи в миниатюрном исполнении с маленьким энергопотреблением.

При использовании цифрового управления появляется возможность увеличить шумовую защищенность и реализовать интеллектуальный адаптивный контроль, позволяющий проектировщику учитывать факторы коррекции питания и топологии резонансных преобразований, которые считались слишком сложными для аналогового управления. Однако переход к цифровому управлению является довольно рискованным предприятием.

Известные своим консерватизмом проектировщики источников питания, годами набиравшие опыт в аналоговом управлении, должны учиться использовать совершенно новую терминологию и технологию. Переходным вариантом стало пропорциональное интегрально-дифференциальное (ПИД) управление. Теория дискретизации и анализ временных областей стали нормой, и пользователи ожидают разработки графических пользовательских интерфейсов для введения коэффициентов управления и моделирования характеристик систем питания.

До сих пор цифровое управление использовалось в основном в системах питания с достаточно большими постоянными времени, позволяющими в реальном времени вычислять лишь ширину импульса, обращаясь к табличным данным. Например, система заряда батареи с коррекцией параметров заряда ("выпрямитель" в телефонной станции).

Другой областью, где цифровое управление прочно закрепилось на своих позициях, является медицина, где американская федеральная служба надзора над продуктами питания и медикаментами установила строгие правила касательно количества энергии, подведённой к пациенту. Такие достоинства, как повторяемость и возможность автокалибровки, делают цифровое управление в медицинском оборудовании само собой разумеющимся.

Системное управление питанием

По мере увеличения количества и сложности нагрузок в распределённой архитектуре питания возникла проблема управляемости питания нагрузки. Сложные нагрузки, особенно DSP и FPGA приборы, требуют отдельного питания для ядра и портов ввода-вывода.

Развитие ядра процессора, где постоянно возрастающее количество элементов определяются законом Мура, таково, что напряжение его питания часто равно или ниже 1В, в то время как для портов ввода-вывода потенциалы определены стандартом коммуникационных интерфейсов (3.3 или 5.0 В). Так как эти блоки зачастую разделяются в ИС обратно включенным ESD диодом, то шины питания должны быть подведены и отключены от ИС в особом порядке, чтобы предотвратить защёлкивание и разрушение элементов большим потенциалом.

Кроме того, сложные нагрузки часто требуют подстройки напряжения в процессе автоматических тестовых процедур, что необходимо для получения информации об их состоянии и мгновенной потребляемой мощности в энергосберегающих приложениях. Примером такого типа нагрузки является "динамическое управление" нагрузкой, к которой питающее напряжение подаётся с тактовой частотой, подводя ровно столько энергии, сколько ей необходимо для данного операционного состояния. Управление питанием включает возможность динамического конфигурирования источника питания для оптимизации измеряемых параметров, таких как температура, воздушный поток или непрерывность сигнала, и для автоматической компенсации характеристик датчиков.

Современные системы управления питанием достигли достаточно малых размеров, что позволяет размещать их на ограниченном пространстве печатной платы. Таким образом, наличие интегрированной системы управления питания стало сегодня необходимым условием. Эта драгоценная область платы, зарезервированная под систему питания, отвечает за потерянную полосу пропускания и объём информации, выдвигая тем самым более высокие требования к интеграции и, в конечном счете, к стандарту протокола связи для диагностики, встроенных тестов, и конфигурации системы питания.

Все вышеизложенное позволяет с уверенностью говорить о том, что системы управления питанием общепризнанно являются перспективной областью современной техники, адаптированной для решения задач конечной системы. Понимая значение эффективного управления питанием, производители стремятся к взаимодействию с разработчиками еще на стадии проектирования, а не в заключительной стадии процесса, когда возможность оптимизации решения резко ограничена. Последние разработки в области архитектур управления питанием являются превосходным примером того, что своевременное сотрудничество может принести очевидную пользу.

Вы можете поближе познакомиться с новыми разработками National Semiconductor в области силовой электроники, посетив сайт: www.power.national.com.