Архитектуры распределенного электропитания

Поскольку каждое новое поколение процессоров, чипов памяти, цифровых сигнальных процессоров (DSP) и специализированных интегральных схем (ASIC) благодаря прогрессу в сфере кремниевых технологических процессов становится все меньше по размерам, сохраняется и тенденция снижения напряжений питания при увеличении токов. Подобный ход событий предъявляет все новые требования к инфраструктуре источников питания и архитектурам электропитания, которые бывают следующих типов: централизованная архитектура электропитания (Centralised Power Architecture, CPA), децентрализованная (распределенная) система питания (Distributed Power Architecture, DPA) и распределенная архитектура с промежуточной шиной (Intermediate Bus Architecture, IBA). К последней принадлежит факторизованная архитектура электропитания (Factorized power architecture, FPA), способная выполнить все требования к соотношению напряжение/ток, диктуемые современными большими ИС.

Классическая архитектура CPA, самая простая и эффективная по стоимости, продолжает применяться в соответствующих системах связи, которые и были одними из первых приложений, выявивших неспособность централизованной архитектуры эффективно передавать низкие напряжения при больших токах.

В случае применения централизованной архитектуры источник питания, выполняющий все необходимые функции выпрямления и DC/DC-преобразования, размещается в одном корпусе (см. рис.1). Он преобразовывает сетевое напряжение в набор постоянных напряжений, необходимых для функционирования системы, и подает эти напряжения по отдельным шинам к соответствующим нагрузкам. Это очень эффективное по стоимости решение, не требующее применения дорогих печатных плат для преобразования напряжений и доставки их к нагрузке. Такие системы электропитания характеризуются средней энергетической эффективностью, поскольку в них нет последовательных каскадов для преобразования мощности, а тепловые проблемы и электромагнитные помехи ограничены одним корпусом.

Рис. 1. Централизованная архитектура питания

В прошлом централизованные системы, проектируемые, как правило, по техническим условиям заказчика, выбирались разработчиками исходя из наименьшей стоимости. CPA подходят для приложений, в которых в процессе эксплуатации не меняются требования к мощности источника и для которых не особенно актуален вопрос занимаемого объема.

Центральный блок питания должен располагаться как можно ближе к нагрузке для минимизации распределенных тепловых потерь (I2R). В то же время, с точки зрения безопасности и снижения электромагнитных помех, его следует размещать рядом с источником переменного тока. На практике выполнить оба этих требования бывает очень трудно.

Несмотря на то, что централизованные источники питания хорошо работают во многих приложениях, они все чаще не отвечают требованиям, предъявляемым современными системами, в которых надо распределять сотни «общих» ампер тока по нескольким низковольтным входам. К тому же, у CPA-систем отсутствует масштабируемость: разработчикам может потребоваться создать систему с изменяемой конфигурацией с платами, использующими несколько номиналов напряжений. Источник питания для такой системы с возможностью масштабирования выходных сигналов, реализованный по принципу СРА, будет довольно дорогим.

Чтобы избежать ухудшения быстродействия современных микропроцессоров, необходимо располагать источники питания рядом с нагрузкой. При использовании централизованной архитектуры организация теплоотвода также может оказаться сложной задачей, ведь бывает необходимо отвести несколько сотен ватт тепла из ограниченного пространства. Для защиты системы от перегрева могут потребоваться большие радиаторы и вентиляторы, но даже при этом не исключены локальные перегревы, снижающие общую надежность.

Распределенная архитектура систем электропитания

Низковольтные нагрузки получают все большее распространение, что привело к появлению концепции модульного построения источников питания и началу эры распределенных систем электропитания (см. рис. 2). В распределенных системах модули DC/DC-преобразователей размещаются на системных платах рядом с соответствующей нагрузкой. Начиная с 1980 гг., модули DPA выполняли классические функции DC/DC-преобразователей (изоляцию от первичной сети, преобразование напряжения и регулирование) для конкретной нагрузки. Но поскольку количество уровней напряжений, требуемых для системных плат, постоянно возрастало, модули DPA стали занимать слишком много пространства на печатной плате, стоимость дублирования полнофункциональных преобразователей увеличилась во много раз, и система стала избыточной.

Рис. 2. Распределенные источники питания, имеющие децентрализованную архитектуру, состоят из DC/DC-преобразователей, расположенных рядом с обслуживаемой ими нагрузкой

На входную шину распределенных источников питания, имеющих децентрализованную архитектуру, подается постоянное напряжение, обычно 48 или 300 В в зависимости от используемого AC/DC-преобразователя. DC/DC-преобразователи, расположенные на системных платах рядом с обслуживаемой ими нагрузкой, завершают цепочку, подводя напряжение на соответствующую шину. Изолированные DC/DC-преобразователи подбираются под конкретную нагрузку, что позволяет улучшить динамические характеристики и устранить проблемы, связанные с распределением по системе низких напряжений.

При распределенном подходе рассеиваемая мощность распределяется по всей системе, что позволяет значительно сократить, а иногда и устранить потребность в радиаторах и принудительной вентиляции. К тому же, напряжения, подводимые к платам, подбираются конкретно под них в соответствии с системными требованиями, поэтому DPA намного более эффективно по стоимости в сравнении с централизованной архитектурой.

Для любой критической нагрузки довольно просто осуществить резервирование: достаточно параллельно поставить дополнительный DC/DC-преобразователь там, где это требуется. Однако DPA-решения могут быть существенно дороже СРА-систем. Например, гальваническая развязка, трансформация, фильтрация электромагнитных помех и защита по входу осуществляются в каждом модуле, поэтому по мере увеличения источников нагрузки возрастает как стоимость, так и площадь самих печатных плат.

Распределенная архитектура систем электропитания с промежуточной шиной

С целью снижения стоимости систем электропитания для приложений со множеством разных уровней низких напряжений в архитектуре питания с промежуточной шиной функции DC/DC-преобразователя поделены между двумя устройствами. Преобразователь промежуточной шины (Intermediate Bus Converter, IBC) формирует напряжение на этой шине и обеспечивает гальваническую развязку, а неизолированный преобразователь (non isolated Point of Load, niPOL), работающий от этой шины, выполняет окончательное преобразование и регулирование выходного напряжения. За счет того, что niPOL не имеют изоляции и поэтому дешевле, чем полные DC/DC-преобразователи, IBА-системы электропитания могут быть сравнительно недорогими. Однако при использовании типовых niPOL понижающих преобразователей всегда приходится искать компромисс между эффективным распределением мощности и эффективностью рабочего цикла при преобразовании мощности.

IBА-системы электропитания отличаются от DPA-систем тем, что они преобразуют входное постоянное напряжение (например, 48 или 300 В) в промежуточное постоянное напряжение, обычно 9,6 или 12 В, необходимое для питания niPOL-преобразователей (см. рис. 3). niPOL, как правило, имеют меньшие габариты и вес по сравнению с полнофункциональными DC/DC-преобразователями, что упрощает топологию печатных плат. Кроме того, niPOL-преобразователи имеют высокий коэффициент преобразования напряжения.

Рис. 3. Архитектура питания с промежуточной шиной использует изолированный преобразователь промежуточной шины для питания относительно недорогих niPOL- преобразователей

В IBА-системах niPOL-преобразователи зависят от работы преобразователя промежуточной шины, обеспечивающего развязку и понижение постоянного напряжения входной шины. Таким устройством является промежуточный IBС-преобразователь, который обычно представляет собой либо полный DC/DC-преобразователь, работающий от источника постоянного напряжения, либо нерегулируемый преобразователь, работающий в узком диапазоне входных напряжений. Добавление к промежуточной шине дополнительного преобразователя напряжений значительно снижает эффективность системы. К тому же, очень важно располагать его как можно ближе к нагрузке, поскольку даже при использовании промежуточной шины на 12 В токи, протекающие через плату, в четыре раза превышают токи в распределенной системе электропитания на 48 В. К неизбежным последствиям использования дополнительного преобразователя можно также отнести необходимость применения более широких дорожек на плате, более тяжелых медных проводников и более коротких линий связи.

Напряжение 12 В для промежуточной шины все же является слишком высоким с точки зрения его эффективного преобразования до низких уровней выходного напряжения (менее 2 В), поскольку при этом коэффициент преобразования становится слишком большим, а коэффициент заполнения рабочего цикла переключения — очень низким. Снижение напряжения на промежуточной шине способно преодолеть это ограничение, но при этом обострятся проблемы, связанные с обеспечением соответствующих дорожек для больших токов.

Поскольку niPOL является регулируемым преобразователем, необходимо последовательно с его выходом подключать катушку индуктивности. Однако для низковольтной нагрузки (обычно микропроцессора) требуется, как правило, обеспечивать высокое быстродействие, поэтому введение такой катушки индуктивности приводит к снижению быстродействия там, где необходимо короткое время отклика. В этом и заключается основное ограничение IBA, наиболее остро проявляющееся тогда, когда следует питать современную сложную низковольтную быстродействующую нагрузку.

Еще одним недостатком niPOL является принципиально отсутствующая изоляция: нагрузка может выходить из строя, из-за чего в системе могут появиться проблемы с заземлением и помехами.

Факторизованная архитектура систем электропитания

FPA реорганизует все основные функции системы питания — преобразование напряжения, гальваническую развязку и регулирование — и реализует их в корпусах, похожих на микросхемы (см. рис. 4). Функциональность схемы при этом делится между двумя устройствами. Одно из устройств называется повышающим/понижающим модулем предварительной стабилизации (Pre-Regulator Module, PRM), который из напряжения входной шины формирует стабилизированное напряжение промежуточной шины (Factorized Bus). Второе устройство, называемое модулем трансформации напряжения (Voltage Tansformation Module, VTM) преобразует напряжение промежуточной шины до уровней, необходимых системе, и обеспечивает гальваническую развязку. Модуль VTM является DC/DC-преобразователем с фиксированным коэффициентом преобразования.

Рис. 4. Низкопрофильные модули FPA

 

Высокочастотные FPA-модули высокой степени интеграции, использующие схемы мягкого переключения при нулевом токе/напряжении, характеризуются такими параметрами как малые размеры, высокая эффективность, низкий шум, хорошее быстродействие и могут обеспечивать на нагрузке высокую плотность мощности, превышающую 1 кВт/дюйм3. На рисунке 5 показаны FPA-модули в основной конфигурации.

Рис. 5. В основную FPA конфигурацию введена обратная связь, позволяющая модулю PRM регулировать напряжение промежуточной шины при помощи сигнала, снимаемого с последнего POL-преобразователя (удаленное регулирование). Можно также получать управляющий сигнал с самого модуля VTM (адаптивное регулирование), проводить мониторинг выходного сигнала модуля PRM (локальное регулирование) или полагаться на свойственную модулям стабильность (разомкнутый контур регулирования).

PRM- и VTM-модули могут работать поодиночке, вместе, в разомкнутых цепях, в локальных контурах, в адаптивных цепях, в удаленных контурах, совместно, по отдельности, параллельно или в комбинации с традиционными устройствами преобразования мощности (DC/DC-преобразователями, POL или генераторами подкачки заряда). Используемая в основе VTM-модулей технология является запатентованной топологией преобразования мощности, называемой синусоидальным амплитудным преобразованием (Sine Amplitude Conversion, SAC), позволившим значительно увеличить количество приложений с момента своего появления в 2003 г. Эта топология также составляет основу преобразователей с промежуточной шиной.

Преобразователь, реализованный по топологии SAC, использует, в соответствии со своим названием, высокочастотный регулируемый генератор с высокой спектральной чистотой, который работает на резонансной частоте всей силовой цепи, включая внутренний трансформатор. Полностью симметричная конфигурация схемы (ключи с двух сторон трансформатора зеркально отображают друг друга) минимизирует синфазные шумы. Поскольку VTM, реализованный по топологии SAC, является устройством с постоянным коэффициентом преобразования, в нем нет внутреннего механизма регулирования, и, следовательно, у него отсутствуют проблемы, связанные со стабильностью и задержками в управляющем контуре, что обеспечивает хорошее быстродействие. Стабильность выходного напряжения обеспечивается PRM-модулем, который размещается до модуля VTM. Во многих конфигурациях на этот модуль приходят сигналы обратной связи.

Одной из характеристик SAC-архитектуры, позволяющей преодолевать ограничения, присущие более ранней IBA-архитектуре, является упомянутая выше фиксированная частота переключения. В существующих реализациях эта частота равна 3,5 МГц. Такая величина минимизирует размеры всех реактивных компонентов, она легко поддается фильтрации и позволяет сократить время отклика. «Мягкое» переключение в точках нулевого тока или напряжения минимизирует потери на переключение и уменьшает на порядок величины dV/dt и dI/dt, что приводит к снижению помех. FPA позволяет также избавиться от выходных катушек индуктивности, необходимых для niPOL-преобразователей в IBА-системах, что, в свою очередь, позволяет минимизировать накопление энергии, снижать энергетические потери и улучшать динамические характеристики.

SAC поддерживает 100% рабочий цикл переключения при любом коэффициенте преобразования, что повышает КПД системы. SAC поддерживает также аналог функции VTM, которую можно назвать трансформатором постоянного тока, позволяющей осуществлять двунаправленное преобразование мощности. При этом возвращается избыточная энергия от нагрузки ко входу, и таким образом улучшается быстродействие системы. SAC демонстрирует также способность к отражению реактивной мощности: можно получить высокоэффективную емкость POL-преобразователей без физического присутствия объемного конденсатора.