Platzbeschränkungen auf der Leiterplatte? Wie Zwischenbuskonverter helfen können

Intermediate Bus Architecture ist eine neue Methode, die Leistungsdesigner verwenden, um PCB-Platz zu sparen. In diesem Artikel werden die Lösungsvorteile und Kompromisse bei der Einführung dieser Technik erörtert und wie sie skaliert werden kann, um anwendungsspezifische Anforderungen zu erfüllen.

Der Bereich der Leistungselektronik hat sich zu einer etablierten, hoch erforschten Industrie entwickelt, die über 100 Jahre zurückreicht, seit der Erfindung des Quecksilber-Lichtbogengleichrichters im Jahr 1902 durch Peter Cooper Hewitt. Auf die Erfindung dieser Gleichrichter folgten 1926 Heißkathoden-Gasröhren-Gleichrichter, 1948 Transistoren, 1956 p-n-p-n-Siliziumtransistoren, 1980 der IGBT und viele mehr. Im 21. Jahrhundert entwickelt sich die Leistungselektronik in den Bereichen saubere Energie, Elektrofahrzeuge und Serveranwendungen weiter. Das Wachstum in diesen aufstrebenden Industrien erfordert, dass Energiedesigner neue und innovative Lösungen finden, um den sich ändernden Anforderungen gerecht zu werden, die kleinere, kostengünstigere Lösungen erfordern.

Eine solche aufkommende Architektur ist die Verwendung eines Intermediate Bus Converter (IBC) in Leistungsanwendungen. Während die Distributed Power Architecture (DPA) zu einem Industriestandard für Point-of-Load-Designs (POL) geworden ist, ist die Verwendung von Intermediate Bus Architecture (IBA) eine neue Methode, die es Entwicklern ermöglicht, die Lösungsgröße zu verkleinern und kostengünstige POL-Wandler zu verwenden. POL-Wandler sind DC-DC-Abwärtswandler in der Nähe der Last, die die Impedanz minimieren und für eine präzise Spannungsversorgung sorgen. Dies können entweder Leistungsmodule wie Intel® Enpirion® PowerSoCs oder diskrete Abwärtswandler sein. Die Verwendung von IBA zur Stromversorgung von POL-Wandlern kann häufig zu niedrigeren Kosten und kleineren Lösungsgrößen führen, während die Systemeffizienz wettbewerbsfähig bleibt.

Abbildung 1. Einstufige traditionelle verteilte Leistungsarchitektur vs. 2-stufige Zwischenbusarchitektur

Die Vorteile der Verwendung von IBA gegenüber DPA hängen von der Anzahl der umgebauten Stromschienen ab, wobei mehr Schienen zu mehr Platz und Kosteneinsparungen führen. Die Systemeffizienz kann abhängig von den verwendeten POL-Wandlern wettbewerbsfähig bleiben.

Tabelle 1. Vergleich der Kompromisse zwischen IBA und DPA

	IBC-Architektur	DPA-Architektur
Kosten	Geringere Kosten durch kleinere Induktivitäten und POL-Wandler	Höhere Kosten aufgrund von Prozesstechnologien mit höherer Spannung und erforderlicher Induktivität
Effizienz	Geringere Systemwirkungsgrade aufgrund von Leistungsverlusten in der 1. Umwandlungsstufe	Höhere Systemeffizienz ohne Zwischenstufe
Lösungsgröße	Kleinere Gesamtlösungsgröße	Größere Gesamtlösungsgröße
Leistungsdichte	Lösungen mit höherer Leistungsdichte	Lösungen mit niedrigerer Leistungsdichte
# Schienen	Ideal für die Verwendung mit> 3+ Ausgangsschienen	Ideal für die Verwendung mit <3 Ausgangsschienen

In der folgenden Diskussion werden der Intel EC2650QI 12-zu-6-V-Zwischenbuskonverter und Intel Enpirion PowerSoCs als Designbeispiele verwendet.

Tabelle 2. Intel Enpirion EC2650QI 12-zu-6-V-Zwischenbuskonverter

Spezifikationen	Funktionen
FIN:8 – 13,2 V	Bis zu 94 % Effizienz
VOUT:VIN /2	0,9 mm Höhe
6 A Dauerausgangsstrom	36 W Ausgangsleistung pro Buskonverter
150 mm² Lösungsgröße	Parallelfähig (bis zu vier für insgesamt 144 W)

Mehrstufiger Leistungsumwandlungsansatz, der weniger Platz auf der Leiterplatte benötigt

Bei direkter Wandlung von 12 V in einem 1-stufigen Ansatz benötigen die nachfolgend eingesetzten 12 V DC-DC Stromrichter eine 20 V oder höhere Prozesstechnik, um dem größeren Input standzuhalten. Der Prozess der höheren Spannung ist notwendig, um einen ausreichenden Spielraum zwischen Betriebsbereich und Geräteausfall aufgrund von Spannungsspitzen zu gewährleisten. Je größer der Spannungsprozess, desto größer das Gerät, da mehr Platz zwischen Drain, Source und Gate der Transistoren im Inneren benötigt wird.

Im Gegensatz dazu ermöglicht die Verwendung eines zweistufigen Ansatzes, indem zuerst von 12 V auf 6 V herabgesetzt wird, nachgeschaltete POL-Module mit niedrigerem Eingang. Die Module mit niedrigerer Eingangsspannung sind oft kleiner und preisgünstiger, da sie nur eine 10-V-Prozesstechnologie benötigen und keine internen Schaltkreise benötigen, um diese höheren Eingangsspannungen zu bewältigen.

Außerdem muss die Induktivität beim Umwandeln von höheren Eingangsspannungen in der Lage sein, die Spannungsdifferenz während jedes Schaltzyklus zu bewältigen. Beim direkten Herunterschalten von 12 V ist eine höhere Induktivität oder eine höhere Schaltfrequenz erforderlich, um die Ausgangswelligkeit zu minimieren. Leistungsentwickler entscheiden sich oft für die Implementierung einer höheren Induktivität, da eine höhere Schaltfrequenz normalerweise mehr Leistungsverlust und einen geringeren Wirkungsgrad bedeutet. Diese höhere Induktivität führt jedoch zu mehr Windungen um den Magnetkern eines Induktors, was die physikalische Größe des Induktors erhöht. Wenn der IBC stattdessen von 12 V auf 6 V abgesenkt wird, können Designer eine ähnliche Welligkeit erzielen, ohne die physikalische Größe der Induktivität jedes POLs erhöhen zu müssen.

Effiziente Designlösungen trotz der zweistufigen Conversion-Strafe

Die Gesamtsystemeffizienz bei einem 2-Stufen-Ansatz hängt stark von der Effizienz des Buswandlers ab. Um die übliche zweistufige Leistungsumwandlung zu vermeiden, sollten Entwickler einen hocheffizienten IBC wie den EC2650QI wählen, der unter Verwendung einer geschalteten Kondensatortopologie einen Umwandlungswirkungsgrad von bis zu 94 % bietet.

Zum Beispiel:

Bei einem einstufigen Direktumwandlungsansatz könnte die Umwandlung von 12 V in 3,3 V bei 3 A mit Intel EN2340QI 92 % betragen.

Abbildung 2. Effizienzkurve für den Intel Enpirion EN2340QI bei einem Vin von 12 V.

Bei einem zweistufigen Ansatz könnte die Umwandlung von 12 V in 6 V zuerst mit dem Intel EC2650QI 94 % betragen.

• Dann könnte die Umwandlung von 6 V in 3,3 V bei 3 A mit Intel EN6340QI 95 % betragen.
• Schließlich wäre der Gesamtwirkungsgrad für den 2-Stufen-Ansatz:0,94 x 0,95 =89,3 %.

Abbildung 3. Die Effizienzkurve für den Intel Enpirion EC2650QI ergibt einen Vin von 12 V.

Abbildung 4. Effizienzkurve für den Intel Enpirion EN6340QI bei einem Vin von 5 V.

Beim Vergleich von 92 % gegenüber 89,3 % sehen wir, dass der IBC einige zusätzliche Effizienzverluste verursacht, die bei einem Direktumwandlungsansatz nicht vorhanden sind. Bei einigen Leistungsdesignern oder Anwendungen können die gewonnenen Platzeinsparungen jedoch die Kompromisse bei der Effizienz aufwiegen.

Dieser Effizienzverlust kann durch verschiedene Designoptionen weiter abgemildert werden, während gleichzeitig die durch die Verwendung des IBC gewonnenen Platzeinsparungen erhalten bleiben. Leistungsdesigner können sich dafür entscheiden, den IBC speziell auf Niederstromschienen zu konzipieren, was den zusätzlichen Wattverlust minimieren würde. Sie können auch größere Konverter auswählen, die das Gesamtdesign effizienter machen können. Die Verwendung des IBC ermöglicht es Ingenieuren, ihre Designentscheidungen zu skalieren, um eine Architektur zu finden, die ihre Größenbeschränkungen, Effizienzanforderungen und Kostenanforderungen perfekt in Einklang bringt.

Wann sollten sich Systemdesigner für Design mit IBA entscheiden?

Im Allgemeinen sollten Energiedesigner IBA in Betracht ziehen, wenn sie strenge Anforderungen an die Lösungsgröße oder die Kosten haben, aber eine gewisse Flexibilität in Bezug auf die Effizienz haben. Insbesondere bei der Umrüstung von 3 oder mehr Schienen ist die Verwendung dieses zweistufigen Ansatzes oft am vorteilhaftesten, da die Vorteile einer kleineren Lösungsgröße und geringerer Kosten immer deutlicher werden. Wie oben erwähnt, kann eine IBC-Architektur skaliert und angepasst werden, um spezifische Designanforderungen zu erfüllen.

Wenn wir beispielsweise Intel EN2342QI für die folgenden vier Geländer verwenden, beträgt die geschätzte Systemeffizienz etwa 87% bei einer Gesamtlösungsgröße von 800 mm². Wenn wir den IBC mit vier kleineren POL-Konvertern verwenden, beträgt die geschätzte Systemeffizienz etwa 84 % bei einer Gesamtlösungsgröße von 390 mm². Der 2-Stufen-Ansatz hat eine vergleichbare Effizienz und benötigt weniger als die Hälfte des PCB-Platzes, was eine 51%ige Platzersparnis bedeutet! Mit jedem zusätzlichen Geländer gibt es durchschnittlich 100 mm² Platzersparnis und weitere Kosteneinsparungen.

Abbildung 5. Beispielhafte Power Trees für 1-stufige vs. 2-stufige IBC-Architektur mit kleinen POLs

Tabelle 3. Vergleich der Gesamteffizienz und der Lösungsgröße auf Systemebene

1-stufig mit großen POLs	Zweistufig mit kleinen POLs
Effizienz:~87 %	Effizienz:~84 %
Gesamtgröße der Lösung:800 mm²	Gesamtgröße der Lösung:390 mm²

Für einige Konstrukteure können die drastischen Platz- und Kosteneinsparungen die Abnahme der Systemeffizienz kompensieren. Die Effizienz kann jedoch weiter abgestimmt und verbessert werden, indem einige kleine POL-Wandler durch größere ersetzt werden, wie im folgenden Beispiel.

Abbildung 6. Beispielhafte Power Trees für 1-stufige vs. 2-stufige IBC-Architektur mit kleinen und großen POLs

Tabelle 4. Vergleich der Gesamteffizienz und der Lösungsgröße auf Systemebene

1-stufig mit großen POLs	Zweistufig mit kleinen und großen POLs
Effizienz:~87 %	Effizienz:~85%
Gesamtgröße der Lösung:800 mm²	Gesamtgröße der Lösung:590 mm²

Im obigen Beispiel haben wir zwei der kleinen EN6340QI POL-Wandler durch die größeren, effizienteren EN6362QI-Wandler ersetzt. Danach stieg die Effizienz auf über 85 %, wobei die Lösungsgröße im Vergleich zu einem DPA-Ansatz immer noch um 26 % kleiner war.

IBA bietet zusätzliche Designtools für kundenspezifische Lösungen

Zusammenfassend bietet IBA ein zusätzliches Konstruktionswerkzeug und eine einzigartige Möglichkeit für Ingenieure, eine Lösung anzupassen, die ihren spezifischen Anforderungen entspricht. Durch die Integration des Zwischenbuskonverters können Energiedesigner Module verwenden, die sowohl einen niedrigeren Spannungsprozess als auch eine niedrigere Induktivität erfordern. Diese Änderungen führen direkt zu kleineren Gesamtlösungsgrößen.

Jeglicher Leistungsverlust durch die zusätzliche Stufe kann durch die Verwendung eines hocheffizienten IBC und anwendungsspezifische Designentscheidungen abgemildert werden. Ein solches Beispiel ist der Intel Enpirion EC2650QI, der mit bis zu vier Geräten zu einem 144-W-Bus parallel geschaltet werden kann, wobei jedes Gerät nur 150 mm² Gesamtlösungsgröße benötigt.

Zusätzliche Ressourcen

• Informationsseite von Intel Enpirion
• Einführung in das Youtube-Video zu Intel Enpirion Power Solutions
• EC2650QI-Produktseite
• Intel EC2650QI-Übersicht Youtube-Video

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