Monimutkaisen ja tehosyöpön tietotekniikan energiatehokkuutta pitää vielä parantaa, jotta asiakkaiden vaatimukset järjestelmien kustannustehokkuudesta ja ympäristövaikutuksista voidaan täyttää. Digitaalisesti toimivat tehomuuntimet ovat tärkeä osa näitä ratkaisuja.

 Artikkelin kirjoittaja Bob Cantrell toimii sovellusinsinöörinä Ericsson Power Modules -yhtiössä.

Energian hinnan yleinen nousukehitys vaatii entistä energiatehokkaampaa datankäsittelyä esimerkiksi teollisuuden säätöjärjestelmissä, pilvipalveluissa, yritysten tietojärjestelmissä ja tietoliikenteessä. Yhtenä vastauksena tähän kysyntään ovat digitaaliset tehomuuntimet, jotka vähentävät tehokkaasti energiahäviöitä läpi koko tehonsyöttöjärjestelmän aina AC-DC-etuasteista palvelinyksiköiden kuormapisteiden PoL-muuntimiin (Point-of-Load).

Perinteiset tehomuuntimet, kuten analogiset PoL-kuormapistemoduulit, on suunniteltu kiinteiden parametrien mukaisesti. Näin ne voivat tarjota suorituskykynsä eri kuormitustilanteisiin vain niihin haettuna kompromissiratkaisuna, kun datajärjestelmän laskentakuorma ja sen myötä tehonkulutuksen tarve vaihtelevat laajasti minimin ja maksimin välillä.

Tämän päivän digitaaliset muuntimet sen sijaan valvovat ja digitoivat kaiken aikaa lähtöjännitettään sekä syöttävät digitoidut arvot mikro-ohjaimessa ajettavalle algoritmille, joka muodostaa tarvittavat ohjaussignaalit. Ohjausstrategiaa voidaan siten muuttaa dynaamisesti suorituskyvyn optimoimiseksi eri käyttötilanteiden mukaan minä ajankohtana hyvänsä.

Digitaalisen tehon edut

Tämä digitaalisten tehomuuntimien ylimääräinen mukautuvuus tarjoaa useita arvokkaita etuja. Muuntimen hyötysuhde voi olla paljon tasaisempi koko kuormitusalueella, etenkin keveillä kuormilla, joilla analogiset muuntimet toimivat melko huonolla hyötysuhteella. Lähtöjännitettä voidaan myös säätää järjestelmän hyötysuhteen optimoimiseksi.

Lisäksi niihin sovelluksiin, joilla on hyvin erikoinen tulo- tai lähtöjännite tai kapasitiivinen kuorma, digitaalisen muuntimen säätösilmukka voidaan optimoida tuottamaan vankka ja stabiili toiminta, jolla kuormituksen transienttivastekin saadaan entistä paremmaksi. Tämä optimointi myös minimoi lähtöasteessa tarvittavien erotuskondensaattoreiden lukumäärän järjestelmän vaatimuksissa annetulla transienttivasteella. Tämän ansiosta päästään optimoituihin kustannuksiin ja minimoituun piirilevyalaan.

DLC-ominaisuudella (Dynamic Loop Compensation) varustetut digitaaliset PoL-muuntimet (kuten Ericssonin 60 A BMR466) mittaavat tehonsiirron ominaisuuksia ja laskevat sopivasti kompensoivan PID-säädön kertoimet. Kun lähtöjännitteen nousu on päättynyt, DLC-algoritmi aloitetaan ja uusi optimoitu kompensointiratkaisu (PID-asetus) löydetään ja otetaan käyttöön. DLC eliminoi kokonaan tarpeen suunnitella erityisiä stabilointipiirejä muuntimelle ja minimoi samalla suodinkondensaattorien tarpeen.

Suunnittelun yksinkertaistamisen lisäksi digitaalinen tekniikka vähentää muunninkomponenttien lukumäärää, mikä puolestaan alentaa palvelimien piirilevyalan tarvetta ja nopeuttaa samalla koko järjestelmän tuontia markkinoille. Levyalan supistuminen on ensiarvoisen tärkeää, sillä kyseessä ovat erittäin kalliit monikerroksiset emolevyt, joille on joissakin monimutkaisissa järjestelmissä voitu sijoittaa jopa kymmeniä PoL-muuntimia, jotka syöttävät tehoa useisiin eri jännitetason syöttölinjoihin esimerkiksi suorittimille, FPGA-lohkoille ja sovelluskohtaisille ASIC-piireille. Esimerkiksi mainittu BMR466-muunnin voi toimia puolella kuormalla jopa 94,4 prosentin hyötysuhteella, kun tulojännite on 5 volttia ja lähtöjännite 1,8 volttia.

Digitaalimuuntimien myötä vähenevä komponenttimäärä parantaa myös järjestelmän luotettavuutta. BMR466-muuntimen keskimääräiseksi vikaväliksi (MTBF) on laskettu 50 miljoonaa tuntia teollisuusstandardin mukaisella Telcordia-menetelmällä. Lisäksi kyseisen muuntimen edistynyt lämpötalous varmistaa, että moduuli säilyttää erittäin korkean luotettavuustasonsa myös ilman lisäjäähdytystä.

Kun moduulin LGA-koteloratkaisua vielä tehostetaan optimoidulla juotospisteiden sijoittelulla, se kykenee haihduttamaan hukkalämpöä erittäin tehokkaasti ja yltää erinomaiseen lämpösuorituskykyyn. Moduulin sisäinen rakenne on optimoitu edistämään häviötehon tehokasta siirtymistä pois teho-FET-transistoreilta, jotka ovat PoL-moduulin ensisijaisia lämmönlähteitä.

BMR466-moduuli on profiililtaan vain 0,276 tuumaa korkea, mikä vähentää merkittävästi kotelon haittavaikutusta jäähdytysilman kiertoon. Korkea hyötysuhde yhdessä huippuluokan lämpöominaisuuksien kanssa antaa mahdollisuuden syöttää moduulin kautta huomattavasti suurempia virtoja merkittävästi pienemmällä levyalalla kuin muilla vastaavilla muuntimilla.

Moduulin viemä levyala on ainoastaan 0,98 x 0,55 tuumaa, joten sen voi helposti sijoittaa hyvin lähelle kuormaa, mikä auttaa parantamaan tehonsyötön transienttiominaisuuksia. Yli 60 ampeerin virtoja tarvitseville järjestelmille voidaan enimmillään kytkeä rinnakkain jopa kahdeksan BR466-moduulia, jotka yhdessä kykenevät syöttämään 480 A virran kuormaan. Kun käytetään useita moduuleja, kaksi tai useampia yksivaiheisia muunninmoduuleja voidaan synkronoida ulkoisella kellosignaalilla vaiheen jakamiseksi, mikä alentaa merkittävästi tulovirran värinää ja vähentää vastaavasti kapasitanssivaatimuksia sekä ehkäisee hyötysuhteen heikentymistä.

Korkeamman hyötysuhteen, yksinkertaisemman rakenteen ja paremman luotettavuuden lisäksi BR466:n kaltaiset kuormapistemuuntimet antavat analogisia moduuleja paremman mahdollisuuden valvoa tulo- ja lähtöjännitteitä, sisäistä lämpötilaa, toimintajaksoja (duty cycle) ja kytkentätaajuuksia. Muuntimen asetusten nopean ja tarkan säätämisen lisäksi tämä antaa mahdollisuuden koko isäntäjärjestelmän valvontaan ongelmien havaitsemiseksi tehonsyötössä tai emolevyllä sekä huolto- ja ylläpitotoimien vaatimusten määrittelemiseksi.

Suunnittelu ja konfigurointi

Ericssonin 3E-sarjan muiden digitaalisten PoL-moduulien tapaan BR466-muunninta tuetaan Power Designer -työkaluohjelmistolla. Työkalupaketin välineet kattavat sekä kehitystyön että prototyyppien tuottamisen ja moduulien konfiguroinnin asettamat vaatimukset tuotantoympäristössä. Suunnittelijat voivat ohjelmiston avulla rakentaa järjestelmänsä valmiiksi jo ennen moduulien ja muiden komponenttien hankkimista sekä käyttää ohjelmistopaketin työkaluja yhdessä evaluointikorttien kanssa.

Power Designer -ohjelmisto helpottaa huomattavasti digitaalisten tehomoduulien asennusta ja alustusta esimerkiksi tarjoamalla pääsyn muuntimen säätösilmukkaan kuorman transienttivasteen ja vakauden optimoimiseksi. Lisäksi tulo- ja lähtösuotimet voidaan optimoida käyttäen mahdollisimman vähän kondensaattoreita, minkä ansiosta päästään koko järjestelmässä alhaisempiin materiaalikuluihin ja nopeampaan markkinoille tuomiseen.

Ohjelmiston työkalujen avulla voidaan konfiguroida sekä yksinkertaisia järjestelmiä että useita moduuleja ja monivaiherakenteita sisältäviä laajoja järjestelmiä. Suunnittelijat voivat välineiden avulla hallita myös järjestelmän virranjakoa, jaksotus- ja seurantatoimia, synkronointia sekä vaiheenjakamista.

Lisäksi on mahdollista valvoa reaaliajassa tärkeimpiä parametreja kuten lämpötilaa, jännitettä ja virtaa, mikä auttaa tunnistamaan ja korjaamaan kaikkia mahdollisia vikoja ja toimintavirheitä. Kun järjestelmä on saatu valmiiksi, käyttäjät voivat helposti tuottaa konfigurointitiedostot, jotka voidaan suoraan syöttää eri yksiköihin tuotantolinjalla.

Digitaalimuuntimien sovellukset

Kaikenlaisten laitteiden suunnittelijat ovat kiinnostuneita PoL-muuntimista, jotka voivat tarjota entistä korkeamman hyötysuhteen aiempaa pienemmällä piirilevyalalla säilyttäen samalla järjestelmän luotettavuuden ja vakaan toiminnan. BMR466-moduuli on oivallinen sovelluksissa, jotka vaativat tavallista suuremman tehon syöttämistä entistä pienemmässä tilassa ilman kompromisseja luotettavuudessa sekä vailla tarvetta lisävarusteisiin kuten tuulettimiin ja jäähdytyslevyihin.

BMR466-moduulin parannetut lämpöominaisuudet antavat kohdelaitteille mahdollisuuden toimia luotettavasti pitkiä aikoja. Muunnin pystyy syöttämään kuormaan 60 ampeerin virtaa 1,8 voltin lähtöjännitteellä, kun ympäristön lämpötila on +70 astetta ja ilman virtausnopeus yksi metri sekunnissa. Lähtövirran alenemiskäyrä (derating) kuvassa 1 osoittaa, että tämä muunnin yltää samoilla ilmanvirtausarvoilla merkittävästi parempiin lämpöominaisuuksiin kuin muut vastaavat PoL-muuntimet.

Kuva 1. BMR466-muuntimen lähtövirran aleneminen verrattuna tavanomaisiin muuntimiin ilman lisäjäähdytystä. Parannetut lämpöominaisuudet lisäävät käytön luotettavuutta.

Pian ohjelmisto määrää tehon

BMR466-moduuli on yhteensopiva PMBus-käskykannan kanssa, mikä tekee siitä käyttövalmiin seuraavan sukupolven ohjelmallisesti ohjatuissa tehonhallinnan arkkitehtuureissa. Seuraavan polven järjestelmät pystyvät tehokkaasti hyödyntämään digitaalisten muuntimien sopeutumiskykyä, mikä tarjoaa hyvin monipuolisia toimintatapoja. Ohjelmallisesti ohjattu tehonhallinta saavuttaa mukautumisessa ja reagointikyvyssä tasoja, joita ei ole koskaan aiemmin nähty.

Nyt kun BMR466:n kaltaiset moduulit ovat kohottaneet hyötysuhteen entistä korkeammalle tasolle, ohjelmistollinen tehonmäärittely auttaa löytämään muita lisäetuja järjestelmätasolle asti. Dynaaminen välijännitteiden säätö ja vaiheenjakaminen ovat hyviä esimerkkejä tekniikoista, joita voidaan soveltaa muokkaamalla muuntimien toimintaa reaaliaikaisesti PMBus-komentojen avulla. Näin voidaan edelleen parantaa järjestelmien hyötysuhdetta, luotettavuutta ja ohjattavuutta huomispäivän hajautetuissa tehonsyöttöjärjestelmissä.