В статье кратко описаны проблемы, возникающие при электропитании мощных потребителей, и на примере телекоммуникационных систем рассматриваются существующие пути их решения с помощью микросхем силовой электроники, применяемых в распределенных [[системах питания]].
Разработка и производство микросхем силовой электроники стимулируются проникновением электронных устройств во все сферы человеческой деятельности. На рисунке 1, заимствованном из [1], показаны области применения микросхем силовой электроники, так или иначе связанных с электропитанием. Бурное развитие в последние годы компонентов для проводных и беспроводных телекоммуникаций способствовало значительному возрастанию скорости и объемов передаваемой информации, а следовательно и возрастанию энергопотребления.
Повсеместное внедрение микросхем DSP-процессоров, ПЛИС и т.д. также привело к увеличению энергопотребления, и резервы традиционных решений оказались исчерпанными. Токи потребления достигли столь внушительной величины, что падение напряжения на соединительных линиях и контактах разъемов стало недопустимо велико. Например, «идеальный» контакт электромагнитного реле общего назначения в замкнутом состоянии имеет сопротивление 100 мОм, и при токе 3 А падение напряжения на таком контакте составит 300 мВ, что неприемлемо для систем с номинальным напряжением питания 5 В и менее. С другой стороны, увеличение потребляемой мощности влечет за собой необходимость повышения КПД системы электропитания, так как дополнительные потери порождают проблемы охлаждения стоек, и ресурсы воздушного охлаждения могут оказаться недостаточными для поддержания номинальной рабочей температуры.
Ниже кратко рассматриваются существующие сегодня возможные пути решения описанных проблем. Напомним, что речь идет только о микросхемах, применяемых в системах питания. Другой многочисленный класс микросхем силовой электроники — драйверы силовых ключей, соленоидов и т.д. — в статье не рассматривается.
АРХИТЕКТУРА РАСПРЕДЕЛЕННЫХ СИСТЕМ ЭЛЕКТРОПИТАНИЯ
При существующем сегодня многообразии номинальных значений напряжений питания (1,2; 1,8; 2,5; 3,3; 5 В) и значительной потребляемой мощности применение традиционных источников питания по вполне очевидным причинам невозможно [2]. Поэтому вначале одним из первых решений при построении систем распределенного питания было использование относительно дорогих многоканальных изолирующих DC/DC-преобразователей для каждого функционального узла (печатной платы) изделия [3]. Однако и от этого решения пришлось со временем отказаться вследствие, во-первых, его экономической неэффективности, во-вторых — низкого КПД этих преобразователей и, в третьих, из-за невозможности поддерживать заданное значение напряжения во всех каналах при сложной нагрузке (ток потребления нагрузки изменяется во времени с большой частотой). Фактически в последнем случае модули питания нужно рассматривать как систему автоматического управления с присущими ей характеристиками, такими как устойчивость, запас по фазе и т.д. [4].
Все описанные выше проблемы привели к появлению так называемых point-of-load (POL) преобразователей — неизолирующие одноканальные DC/DC-преобразователи, размещаемые в непосредственной близости от питаемого функционального узла (печатной платы). Их устройство максимально просто (см. рис. 2) [4], а КПД может достигать величины 96%.
Микросхемы POL получили столь широкое распространение, что даже была создана ассоциация их производителей — POLA.
Архитектура распределенной системы питания при использовании микросхем POL-преобразователей показана на рисунке 3 [2].
Одноканальные изолирующие DC/DC-преобразователи служат для гальванического разделения функциональных узлов системы, а POLпреобразователи обеспечивают номинальное напряжение питания. Такое решение позволяет убить сразу двух зайцев. Во-первых, повышается КПД изолирующего DC/DC-преобразователя (КПД одноканальных преобразователей всегда больше, нежели многоканальных, к тому же не требуется точная регулировка выходного напряжения по нескольким каналам). Во-вторых, применяется POL-преобразователь с высоким КПД. В итоге суммарный КПД системы заметно возрастает. Номинальное напряжение промежуточной шины (в англоязычной транскрипции Intermediate Bus) для телекоммуникационных систем составляет –48 В (при диапазоне допустимых значений: –36…–72 В). Номинальное напряжение промежуточной шины для систем передачи данных 48 В при допустимом диапазоне 43…53 В. Возможны и иные варианты, например в изделиях военного назначения номинальное напряжение промежуточной шины равно 28 В [5].
В [5] также проведено сравнение двух вариантов построения систем питания: на рисунке 4 показан вариант с несколькими изолирующими DC/DC-преобразователями, а на рисунке 5 — один изолирующий DC/DC-преобразователь и несколько POL-преобразователей для каждого номинального напряжения питания.
Результат сравнения убедительно свидетельствует в пользу второго варианта, при котором общий КПД составляет 84% против 63,3% в первом случае.
Фактически идея, схожая с POL, была реализована довольно давно еще для линейных регуляторов напряжения, когда стали производиться дешевые стабилизаторы напряжения в маленьком трехвыводном корпусе ТО92 и с небольшим (не более 50 мА) выходным током. Они также устанавливались на печатную плату непосредственно рядом с питаемым функциональным узлом. Однако на этом все сходство и заканчивается. В ключевых стабилизаторах преобразователь часть периода Т0 потребляет ток от входной шины, при этом энергия «закачивается» в дроссель, а в другую часть периода дроссель отдает набранную энергию в нагрузку.
При этом ток во входной шине также имеет форму, близкую к импульсной.
Средний ток Ia, потребляемый преобразователем, определяется из соотношения
где Im — импульсный ток, потребляемый преобразователем;
— коэффициент заполнения (duty cycle); Tи — длительность импульса, в течение которого ток потребляется преобразователем.
Как видно из (1), средний ток может не изменяться при различных значениях импульсного тока, если при этом соответствующим образом изменяется величина заполнения г. Но совсем не так обстоят дела с рассеиваемой мощностью в резистивных элементах. К последним относятся линии связи, обмотки, каналы силовых ключей, сопротивление коммутационных элементов, эквивалентные последовательные сопротивления конденсаторов ESR и т.д. В течение импульса Tи на резистивном элементе выделится энергия Im²RTи, следовательно средняя мощность Ра за период Т0 составит
Очевидно, что при уменьшении коэффициента заполнения г и, следовательно, при увеличении амплитуды импульсного тока потери в резистивных элементах возрастают.
Полученный в (2) результат качественно характеризует картину, так как не учитывает поверхностный эффект в проводниках, возникающий при протекании по ним тока высокой частоты. Влияние поверхностного эффекта также значительно зависит от коэффициента заполнения [6]. Кроме того, при возрастании величины пульсирующего тока в накопительных дросселях в них увеличиваются магнитные потери. В любом случае можно утверждать, что чем меньше величина коэффициента заполнения, тем больше потери в преобразователях (например, см. рис. 4) и резистивных элементах. Довольно точно величину коэффициента заполнения можно получить из формулы
где Uout — выходное напряжение преобразователя, а Uin — входное напряжение преобразователя.
Следует также учесть еще одно практическое обстоятельство: высоковольтные силовые ключи имеют значительно большее сопротивление в открытом состоянии, нежели низковольтные, поэтому и статические потери в них будут больше, чем в низковольтных ключах. Также и динамические свойства высоковольтных ключей хуже, следовательно при уменьшении коэффициента заполнения и увеличении импульсного тока и динамические потери высоковольтных ключей возрастут на большую величину, чем в низковольтных ключах.
Как правило, напряжение промежуточной шины стандартизировано и не подлежит изменению, но вот выбор напряжения промежуточной шины — выходного напряжения изолирующих DC/DC-преобразователей (входное напряжение микросхем POL-преобразователей (см. рис. 3)) часто остается за разработчиком. В [5] показано разнообразие возможных вариантов построения распределенных систем питания и приведены подсчеты суммарных КПД и рассеиваемой мощности.
Отметим, что при выборе следует руководствоваться и конструктивными соображениями. Например, микросхемы POL-преобразователей обычно находятся на печатной плате, условия охлаждения которой далеки от идеала. Поэтому, руководствуясь (3), следует выбрать вариант, когда большая часть потерь придется на изолирующий DC/DCпреобразователь, условия охлаждения которого лучше, чем у микросхемы POL. Именно исходя из этих соображений напряжение промежуточной шины уменьшают до 12 В, а иной раз и до 3,3 В [7]. Однако при этом уменьшается коэффициент заполнения преобразователей до промежуточной шины, что, в свою очередь, порождает проблемы, возникающие при малых значениях
Еще одной проблемой сегодняшних систем питания является сложная нагрузка. При резких изменениях потребляемого тока необходимо уменьшить инерционность системы управления (уменьшить время реакции преобразователя на изменение тока нагрузки), чему препятствует наличие дросселя, подключенного на выход преобразователя. Уменьшить величину индуктивности дросселя, а следовательно, и инерционность системы возможно при повышении частоты преобразования.
Увеличить частоту преобразования с помощью существующих аналоговых u236 iетодов не удается, так как при временах включенного состояния силовых ключей меньше 500 нс уже заметной становится абсолютная погрешность аналоговых методов. Поэтому сегодня активно развиваются цифровые методы управления питанием, разрабатываются контроллеры питания, представляющие собой довольно сложные системы автоматического управления. Например, в состав микросхемы PX7510 (Digital POL) компании Primarion входят следующие функциональные узлы:
— АЦП и ЦАП;
— ШИМ-контроллер и цифровой ПИД-регулятор;
— энергонезависимая память;
— датчики тока, напряжения и температуры;
— последовательный интерфейс SMBus.
Альтернативный путь развития архитектуры распределенных систем питания предложила компания Vicor, создавшая принципиально новую архитектуру — Factorized Power Architecture (FPA). Структурная и функциональная схемы новой архитектуры представлены на рисунке 6. Функции регулирования напряжения и гальванического разделения входного и выходного напряжений осуществляются специализированными модулями V·I Chips. Хотя, строго говоря, их нельзя причислить к микросхемам, все же с точки зрения пользователя они весьма близки к ним — модули невелики по размерам, выпускаются в корпусах BGA и пригодны для поверхностного монтажа.
Предварительное регулирование напряжения осуществляется в модуле Pre-Regulator Module (PRM), а гальваническое разделение и трансформация напряжения — в трансформаторном модуле Voltage Transformation Module (VTM). Благодаря использованию фирменной технологии ZCS (коммутация силовых ключей при нулевом токе) удалось достигнуть отличных энергетических показателей — КПД модулей превышает 97% при плотности мощности до 800 Вт/дюйм³ [2].
Предложенное Vicor решение относительно ново, и автору не удалось найти подробные материалы, описывающие применение FPA, за исключением материалов, размещенных на сайте компании. Поэтому мы предлагаем читателям, использовавшим компоненты V·I Chips, поделиться своим опытом на страницах журнала либо сообщить нам библиографические ссылки с описанием результатов применения новой архитектуры.
ЛИТЕРАТУРА
1. Or Stephan. Three levels of power management//www.Gartner.com.
2. Hilbert Andrew. Power distribution architectures: the evolution continues//www.vicor.com.
3. Greenfland Paul. Trends in distributed-power architecture//www.national.com.
4. Дмитриков Владимир и др. Влияние комплексной нагрузки на устойчивость и динамические характеристики источников питания//Электронные компоненты, 2006, №2.
5. Butler Steve. Point-of-load power solution for low-voltage military application//www.rfdesign.com.
6. Герасимов Александр. Электромагнитные компоненты профессиональных источников электропитания//Электронные компоненты, 2006, №5.
7. Selection of architecture for systems using bus convertors and POL convertors//www.ericsson.com/powermodules.