Подписка на новости

Опрос

Нужны ли комментарии к статьям? Комментировали бы вы?

Реклама

 

2005 №9

Обзор трёх составляющих современной архитектуры распределённого питания

Гринланд Пол


В последние годы быстро развивающаяся информационная инфраструктура привела к революционным изменениям и в архитектуре распределенного питания. В этой статье рассматриваются 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 дает 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.

Все большее распространение DSP-, FPGA- и ASIC-чипов, стимулируемое активным спросом потребителей на все больший объем информации и полосу пропускания, увеличило число и сложность нагрузок до такой степени, при которой структура распределения питания (рис. 1), использующая единственный изолированный многовыводной DC-DC-преобразователь на каждой системной карте, перестала справляться с возложенными на нее задачами. Индивидуальные токи нагрузок достигли такого 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. Такие изменения, изображенные на рис. 2, предъявляют определенные требования: каждый уровень должен занимать меньше половины объема исходного решения, а их последовательная комбинация должна показать более высокую суммарную эффективность.

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

Обычно такая архитектура использует недорогой, грубо регулируемый первичный преобразователь, выполняющий функцию изоляции и понижения напряжения, и эффективный высокоточный второй, расположенный в непосредственной близости от 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 до ±10%.

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

Такие фундаментальные изменения в архитектуре распределения питания стимулировали развитие новых 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, например экономичностью, гибкостью и надежностью. Современные технологии позволяют снижать габариты элементов, например, появились цифровые преобразователи в миниатюрном исполнении с малым энергопотреблением.

При использовании цифрового управления появляется возможность увеличить защищенность от шумов и реализовать интеллектуальный адаптивный контроль, позволяющий разработчику 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 разработчики источников питания, годами набиравшие опыт в аналоговом управлении, должны научиться использовать совершенно новую технологию. Переходным этапом стало пропорциональное интегрально-дифференциальное (ПИД) управление. Теория дискретизации и анализ временных областей уже стали нормой, и пользователи ожидают разработки графических пользовательских интерфейсов для моделирования характеристик систем питания.

До сих пор цифровое управление использовалось в основном в системах питания с достаточно большими постоянными времени, позволяющими в реальном режиме времени вычислять лишь ширину импульса, обращаясь к табличным данным. В качестве примера можно привести систему подзарядки батареи с коррекцией параметров заряда.

Другой областью, где цифровое управление прочно закрепилось на своих позициях, является медицина. В этой области американская федеральная служба надзора над продуктами питания и медикаментами установила строгие правила касательно количества энергии, подведенной к пациенту. Такие достоинства, как повторяемость и возможность автокалибровки, делают цифровое управление в медицинском оборудовании едва не единственно возможным выходом.

Системное управление питанием

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

Тенденции развития процессорных ядер, где постоянно возрастающее число элементов (степень интеграции) определяется законом Мура, таковы, что напряжение питания ядра часто равно или ниже 1 В, в то время как для портов ввода/вывода потенциалы определены стандартом коммуникационных интерфейсов (например, CMOS 3.3 или TTL 5.0 В). Так как эти функциональные узлы в ИС зачастую разделяются обратно-включенным ESD-диодом, то шины питания должны быть подведены и отключены от ИС в особом порядке, чтобы предотвратить защелкивание и разрушение элементов микросхемы 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. В качестве такого примера можно привести «динамическое управление» нагрузкой, к которой питающее напряжение подается с тактовой частотой, подводя ровно столько энергии, сколько ей необходимо для данного состояния. Управление питанием включает возможность динамического конфигурирования источника питания для оптимизации контролируемых параметров, таких как температура, воздушный поток или непрерывность сигнала, а также 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 для многих приложений. Эта важная область платы, зарезервированная под систему питания, отвечает за полосу пропускания и объем информации, выдвигая тем самым более высокие требования к интеграции и, в конечном счете, к протоколу обмена диагностическими данными, встроенным тестам и конфигурации подсистемы питания.

Все вышеизложенное позволяет с уверенностью говорить о том, что системы управления питанием являются перспективной областью современной техники. Понимая значение эффективного управления питанием, производители стремятся к взаимодействию с разработчиками еще на стадии проектирования, а не на заключительной стадии процесса, когда возможности оптимизации решения резко ограничены.

Литература

  1. National Edge Technical Journal, November 2004 edition, «Three elements of architectural change represent a new piece in the distributed-power puzzle», Paul Greenland, Director of Marketing, Analog Power Management.
  2. www.power.national.com

Скачать статью в формате PDF  Скачать статью Компоненты и технологии PDF

 


Другие статьи по данной теме:

Сообщить об ошибке