Restrições de espaço do PCB? Como os conversores de barramento intermediário podem ajudar

A arquitetura de barramento intermediário é um método emergente que os projetistas de energia estão usando para conservar o espaço do PCB. Este artigo discute os benefícios e as compensações da solução ao adotar essa técnica e como ela pode ser dimensionada para atender aos requisitos específicos do aplicativo.

O campo da eletrônica de potência tornou-se uma indústria bem estabelecida e altamente pesquisada que remonta a mais de 100 anos, à invenção dos retificadores de arco de mercúrio em 1902 por Peter Cooper Hewitt. A invenção desses retificadores foi seguida por retificadores de tubo de gás catódico quente em 1926, transistores em 1948, transistores de silício p-n-p-n em 1956, o IGBT em 1980 e muitos mais. No século 21, a eletrônica de potência continua a evoluir nas áreas de energia limpa, veículos elétricos e aplicativos de servidor. O crescimento nessas indústrias emergentes exige que os projetistas de energia encontrem soluções novas e inovadoras para atender aos requisitos em evolução que exigem soluções menores e mais econômicas.

Uma dessas arquiteturas emergentes é o uso de um Intermediate Bus Converter (IBC) em aplicações de energia. Embora a arquitetura de energia distribuída (DPA) tenha se tornado um padrão da indústria para projetos de ponto de carga (POL), o uso de arquitetura de barramento intermediário (IBA) é um método emergente que permite aos projetistas reduzir o tamanho da solução e usar conversores POL de baixo custo. Os conversores POL são conversores DC-DC redutores próximos à carga, minimizando a impedância e fornecendo um suprimento de tensão preciso. Eles podem ser módulos de energia, como Intel® Enpirion® PowerSoCs, ou conversores de buck discretos. O uso de IBA para alimentar os conversores POL pode geralmente levar a custos mais baixos e soluções menores, ao mesmo tempo que mantém a eficiência competitiva do sistema.

Figura 1. Arquitetura de energia distribuída tradicional de um estágio vs. arquitetura de barramento intermediário de 2 estágios

As vantagens de usar IBA sobre DPA dependem do número de trilhos de energia convertidos, com mais trilhos resultando em mais espaço e economia de custos. A eficiência do sistema pode permanecer competitiva dependendo dos conversores POL usados.



Tabela 1. Comparação de compensações IBA vs. DPA

	Arquitetura IBC	Arquitetura DPA
Custo	Custo mais baixo devido a indutores menores e conversores POL	Custo mais alto devido a tecnologias de processo de alta tensão e indutância necessária
Eficiência	Reduza a eficiência do sistema devido à perda de energia na conversão do primeiro estágio	Maior eficiência do sistema na ausência de estágio intermediário
Tamanho da solução	Tamanho total da solução menor	Maior tamanho total da solução
Densidade de potência	Soluções de alta densidade de potência	Soluções de densidade de energia mais baixa
# de Rails	Ideal para uso com> 3 ou mais trilhos de saída	Ideal para uso com <3 trilhos de saída

Na discussão a seguir, o conversor de barramento intermediário Intel EC2650QI 12 para 6 V e o Intel Enpirion PowerSoCs serão usados ​​como exemplos de design.



Tabela 2. Conversor de barramento intermediário Intel Enpirion EC2650QI 12 para 6 V

Especificações	Recursos
VIN:8 - 13,2 V	Eficiência de até 94%
VOUT:VIN / 2	0,9 mm de altura
6 A de corrente contínua de saída	Potência de saída de 36 W por conversor de barramento
Tamanho da solução de 150 mm²	Capacidade paralela (até quatro para 144 W no total)

Abordagem de conversão de energia em vários estágios, exigindo menos espaço do PCB

Ao converter diretamente de 12 V em uma abordagem de um estágio, os conversores de energia 12 V DC-DC subsequentes que são usados ​​requerem uma tecnologia de processo de 20 V ou superior para suportar a entrada maior. O processo de tensão mais alta é necessário para garantir margem suficiente entre a faixa de operação e a quebra do dispositivo devido a picos de tensão. Quanto maior for o processo de tensão, maior será o dispositivo, pois mais espaço é necessário entre o dreno, a fonte e a porta dos transistores internos.

Em contraste, a utilização de uma abordagem de 2 estágios, primeiro diminuindo de 12 V para 6 V, permite módulos POL de entrada inferior a jusante. Os módulos de tensão de entrada mais baixa são geralmente menores e com preços competitivos, pois exigem apenas uma tecnologia de processo de 10 V e não precisam de circuitos internos para lidar com essas tensões de entrada mais altas.

Além disso, ao converter de tensões de entrada mais altas, o indutor deve ser capaz de lidar com a diferença de tensão durante cada ciclo de chaveamento. Ao diminuir diretamente de 12 V, uma indutância mais alta ou uma frequência de chaveamento mais alta é necessária para minimizar a ondulação de saída. Freqüentemente, os projetistas de energia optam por implementar uma indutância mais alta porque uma frequência de comutação mais alta geralmente significa mais perda de energia e menor eficiência. No entanto, essa indutância mais alta se traduz em mais enrolamentos em torno do núcleo magnético de um indutor, o que aumenta o tamanho físico do indutor. Usar o IBC para diminuir de 12 V para 6 V, em vez disso, permitirá que os projetistas alcancem ondulação semelhante sem a necessidade de aumentar o tamanho físico do indutor de cada POL.

Soluções de design eficientes apesar da penalidade de conversão em dois estágios

A eficiência geral do sistema em uma abordagem de 2 estágios depende fortemente da eficiência do conversor de barramento. Para evitar a penalidade comum de conversão de energia em dois estágios, os projetistas devem escolher um IBC de alta eficiência, como o EC2650QI, que oferece até 94% de eficiência de conversão usando uma topologia de capacitor comutado.

Por exemplo:

Em uma abordagem de conversão direta de 1 estágio, a conversão de 12 V para 3,3 V em 3 A poderia ser 92% usando o Intel EN2340QI.

Figura 2. Curva de eficiência para o Intel Enpirion EN2340QI dado um Vin de 12 V.

Em uma abordagem de 2 estágios, a conversão de 12 V em 6 V primeiro pode ser de 94% usando o Intel EC2650QI.

• Então, converter 6 V para 3,3 V em 3 A pode ser 95% usando o Intel EN6340QI.
• Finalmente, a eficiência total para a abordagem de 2 estágios seria:0,94 x 0,95 =89,3%.

Figura 3. A curva de eficiência para o Intel Enpirion EC2650QI dá um Vin de 12 V.

Figura 4. Curva de eficiência para o Intel Enpirion EN6340QI dado um Vin de 5V.

Comparando 92% com 89,3%, vemos que o IBC cria algumas perdas de eficiência adicionais que não estão presentes em uma abordagem de conversão direta. No entanto, para alguns projetistas de energia ou aplicações, a economia de espaço obtida pode superar os comprometimentos na eficiência.

Essa perda de eficiência pode ser ainda mais mitigada por meio de várias opções de design, ao mesmo tempo que preserva a economia de espaço obtida com o uso do IBC. Os projetistas de energia podem escolher projetar especificamente o IBC em trilhos de baixa corrente, o que minimizaria a perda de potência adicional. Eles também podem optar por selecionar conversores maiores, o que pode tornar o design geral mais eficiente. O uso do IBC permite que os engenheiros dimensionem suas escolhas de projeto para encontrar uma arquitetura que equilibre perfeitamente suas restrições de tamanho, requisitos de eficiência e necessidades de custo.

Quando os projetistas de sistemas devem escolher projetar com IBA?

Geralmente, os projetistas de energia devem considerar o IBA quando têm requisitos de tamanho ou custo de solução restritos, mas alguma flexibilidade na eficiência. Particularmente, o uso dessa abordagem de 2 estágios costuma ser mais benéfico ao converter 3 ou mais trilhos, pois os benefícios de um tamanho de solução menor e custo mais baixo tornam-se cada vez mais aparentes. Conforme declarado acima, uma arquitetura IBC pode ser escalada e adaptada para atender a requisitos de projeto específicos.

Por exemplo, se usarmos o Intel EN2342QI para os quatro trilhos a seguir, a eficiência do sistema estimada é de aproximadamente 87% com um tamanho de solução total de 800 mm². Se usarmos o IBC com quatro conversores POL menores, a eficiência estimada do sistema é de aproximadamente 84% com um tamanho de solução total de 390 mm². A abordagem de 2 estágios tem uma eficiência comparável enquanto requer menos da metade do espaço da placa de circuito impresso, um aumento de 51% na economia de espaço! Com cada guarda-corpo adicional, há uma economia média de 100 mm² de espaço e mais economia de custos.

Figura 5. Exemplo de árvores de energia para arquitetura IBC de 1 estágio vs. 2 estágios usando pequenos POLs

Tabela 3. Comparação em nível de sistema da eficiência total e tamanho da solução

1 estágio usando grandes POLs	2 estágios usando POLs pequenos
Eficiência:~ 87%	Eficiência:~ 84%
Tamanho total da solução:800 mm²	Tamanho total da solução:390 mm²

Para alguns projetistas, o espaço drástico e a economia de custos podem compensar a diminuição na eficiência do sistema. No entanto, a eficiência pode ser ajustada e melhorada ainda mais pela substituição de alguns conversores POL pequenos por outros maiores, como no exemplo a seguir.

Figura 6. Exemplo de árvores de energia para arquitetura IBC de 1 estágio vs. 2 estágios usando POLs pequenos e grandes

Tabela 4. Comparação de nível de sistema de eficiência total e tamanho da solução

1 estágio usando grandes POLs	2 estágios usando POLs pequenos e grandes
Eficiência:~ 87%	Eficiência:~ 85%
Tamanho total da solução:800 mm²	Tamanho total da solução:590 mm²

No exemplo acima, substituímos dois dos pequenos conversores EN6340QI POL pelos conversores EN6362QI maiores e mais eficientes. Depois de fazer isso, a eficiência aumentou para mais de 85%, com um tamanho de solução ainda 26% menor quando comparado a uma abordagem DPA.

IBA fornece ferramentas de design adicionais para soluções personalizadas

Em resumo, o IBA fornece uma ferramenta de design adicional e oportunidade única para engenheiros personalizarem uma solução que atenda às suas necessidades específicas. Incorporar o conversor de barramento intermediário permite que os projetistas de energia usem módulos que requerem um processo de baixa tensão e indutância. Essas alterações se traduzem diretamente em tamanhos de solução total menores.

Qualquer perda de energia no estágio adicional pode ser mitigada usando um IBC de alta eficiência e fazendo escolhas de design para aplicações específicas. Um exemplo é o Intel Enpirion EC2650QI, que pode ser colocado em paralelo com até quatro dispositivos para criar um barramento de 144 W, com cada dispositivo exigindo apenas 150 mm² no tamanho total da solução.

Recursos adicionais

• página de informações do Intel Enpirion
• Vídeo de introdução ao Intel Enpirion Power Solutions no Youtube
• página do produto EC2650QI
• Vídeo do Youtube da visão geral da Intel EC2650QI

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