Tehonsyötön voi toteuttaa joko valmiilla, kokonaisella moduulilla tai erilliskomponentein. Niiden väliin asettuu japanilaisen Muratan teholohko, joka tuo suunnittelijalle lisää vaihtoehtoja ja skaalautuvuutta.

Artikkelin kirjoittaja Bill Smith toimii markkinointijohtajana Murata Power Solutionsissa. Hänellä on insinööritutkinto Roger Williamsin yliopistosta Bristolista, Rhode Islandista USA:sta. Bill vastaa Muratan kaikista piirikorteille asennettavista teholähteistä ja työskennellyt tehoelektroniikan parissa lähes 10 vuoden ajan.

Teholohkoihin (power block) nojaava suunnittelu on ideaalinen valinta tämän päivän tehosyöppöihin FPGA- ja ASIC-piireihin sekä tietotekniikkapiireille. Teholohko on periaatteessa eristämätön buck-tyyppinen muunnin ilman PWM-ohjainta. Se sisältää tehofetit, tehonsyötön piiristön, tulo- ja lähtökondensaattorit, lähtöinduktorin, lämpötila-anturin ja virran tunnistusverkon. Kokonaisen POL-teholähteen toteuttaminen vaatii lisäksi tyypillisesti PWM-ohjaimen, jännitteen ja joidenkin lisäkondensaattorien lisääminen suunnitteluun.

POL- (point of load) ja jännitteen regulointisovelluksiin (VRM, voltage regulator module) teholohko tuo useita etuja, jos sitä verrataan erillispiireistä koostuvaan ratkaisuun tai integroituihin POL-muuntimiin.

Erillisratkaisuun verrattuna teho lohko voi tehdä tehojärjestelmän suunnittelusta paljon yksinkertaisempaa. Yhtenä valmiina komponenttina se voi säästää kehitykseen kuluvaa aikaa ja rahaa. Sijoittelun haasteet , lämpösuunnittelun hankaluudet ja EMI-suorituskyky on jo ratkaisut teholohkon kotelossa. Teholohkot on myös suunniteltu vastaamaan korkeisiin laatu- ja luotettavuusstandardeihin, joita on kehitetty tietotekniikka- ja tietoliikenneteollisuudessa. Nämä teholohkot on suunniteltu vastaamaan tai ylittämään IPC-9592B-määritysten luotettavuusvaatimuksiin ja lisäksi ne ovat jo täyttäneet kaikki ympäristö- ja mekaanisen yhdenmukaisuuden vaatimukset.

Kokonaiseen POL-moduuliin verrattuna teholohko on joustavampi. Erilaisia ohjaimia voidaan käyttää saman lohkon kanssa, joten suunnittelijan on helpompi löytää tasapaino kustannusten, koon, ominaisuuksien (kuten PMBus-väylän) ja suorituskyvyn suhteen. Lohkon kanssa voi käyttää analogista tia digitaalista ohjainta, mikä tuo laajan valikoiman toimintoja ja suorituskykyvaihtoehtoja. Suunnittelija saa valita toimintataajuuden tai muunnin voidaan synkronoida ulkoisen kellosignaalin kanssa, mikäli tälle on tarvetta. Teholohkot yltävät myös parempaan hyötysuhteeseen kuin matalaprofiiliset erilliset IC-tyyppiset ratkaisut, joiden täytyy operoida korkeammilla kellotaajuuksilla (tehokkuuden kustannuksella), jotta ne voivat olla riittävän pieniä kooltaan.

Tehotiheys

Uskokaa tai älkää, mutta teholohkoilla voi säästää piirilevyalaa verrattuna sekä erillispiireihin että integroituihin POL-muuntimiin verrattuna. Lohkon optimoidussa koteloinnissa induktorit on nostettu piirilevyn yläpuolelle ja fetit ja tehonsyöttöpiiristö on asennettu alapuolelle. Koko blokki ei sen takia vie enemmän tilaa kuin itse induktorit. Koska ohjauspiiristö koostuu vain matalaprofiilisista komponenteista, se voidaan sijoittaa piirikortin alapinnalle, millä säästetään vielä enemmän tilaa. Tuloksena on hyvin kompakti sijoittelu, jolla päästään suurempiin virtoihin ja tehotiheyteen kuin integroiduilla moduuleilla tai erillispiireihin pohjautuvilla ratkaisuilla.

Kuva 1 esittää demokorttia toiselle kahdesta PWM-ohjaimesta, joita käytettiin 45 ampeerin teholohkon kvalifiointitestaamisessa. Suunnittelun koko on 25,0 x 25,6 milliä piirilevyllä, mikä vastaa 665 neliömilliä tai yhtä neliötuumaa, I/O-kondensaattorit mukaan lukien. Piirilevyn alapuolella ohjauspiiristä vie puolet tästä alasta. Tämä tarkoittaa, että suunnittelun tehotiheys on noin 30 prosenttia suurempi kuin tämän päivän parhaassa tarjolla olevassa integroidussa moduulissa. Tilanne paranee entisestään, sillä Murata Power Solutionsilla on tuotteesta 60, 80 ja 100 ampeerin versiot, joiden avulla teho- ja virtatiheyttä aiotaan nostaa kaikissa uusissa suunnitteluissa.

Kuva 1. Kaksivaiheinen PWM-ohjain, joka käyttää 45 ampeerin teholohkoa, vie alle neliötuuman verran korttialaa. Piirikortin yläpuolen sijoittelu näkyy vasemmalla ja alapuoli oikealla.

Lämpöominaisuudet

Hyvä tehomuunninsuunnittelu varmistaa, ettei yksikään komponentti ylitä omia lämpötilan raja-arvoaan, ja että koko järjestelmä pidetään mahdollisimman viileänä luotettavuuden maksimoimiseksi. Lämmöntuoton suurimpia syyllisiä ovat kytkinfetit ja tehoinduktori. Toisaalta jotkut muut komponentit (PWM-ohjaimet, ESR-kondensaattorit ja integroidut fettiajurit) eivät aiheuta paljon lämpöhävikkiä, mutta voivat silti vaikuttaa järjestelmän sisäisen lämpötilan nousuun.

Hyvä lämpösuunnittelun hallinta voi pitää sisällään tekniikoita kuten komponenttien strateginen sijoittelu piirilevyllä, kuparin paino ja kerrosten kulumäärä isäntäkortilla sekä läpivientien strateginen sijoittelu niin, että komponenteista saadaan johdettua lämpöä pois. Tiukka kotelointi on yleensä lämmönhallinnan vihollinen: itse asiassa, lämpösuunnittelu tällä hetkellä määrittelee rajata tämän päivän tehomuuntimien koolle.

Nämä suunnitteluhaasteet on ratkaistu täysin teholohkossa. Sen kotelointi on huolellisesti suunniteltu, testattu ja verifioitu koko toiminta-alueella, jotta suunnittelu vastaa komponenttien antotehon alentumisen IPC-9592-standardissa määriteltyjä ohjeita (ks. kuva 2). Verrattuna erillispiirien käyttöön tämä säästää suuresti kehitysaikaa ja kustannuksia.

Kuva 2. Teholohko on validoitu lämpöominaisuuksiltaan koko toiminta-alueella (ylh.). Lämpötestaus toteutettiin myös useille toistensa lähelle asennetulle yksikölle, jolla simuloitiin tilannetta, jossa useita teholohkoja tarvitaan tuottamaan suurempi virta tai useita jännitteitä yhdelle laitteelle (alh.).

Verratkaamme esimerkiksi standardin 50 ampeerin SIP-moduulia Murata Power Solutionsiin 45 ampeerin teholohkoon. Teholohkon tehotiheys on suurempi, koska komponentit voidaan sijoittaa sovelluspiirilevyn alapuolella, kuten aiemmin mainittiin. SIP:n alapuolella ei voida sijoittaa mitään. Se myös vaatii jäähdytyselementin parantamaan jäähdytystä, mitä Muratan teholohko ei tarvitse.

SIP:n antotehon alentumista kuvaava käyrä (kuva 3) osoittaa, että vielä 500 lfm:n tuuletuksella antoteho putoaa noin 45 ampeeriin 70 asteessa. Samaan aikaan teholohkon virta ei laske koko lämpötila-alueella, vaikka ilmavirta on vain 200 lfm (linear feet per minute), kun lähtöjännitteet ovat 800 millivoltista 1,8 volttiin. 45 ampeerin teholohkon antoteho heikkenee 35 ampeeriin 2,5-3,3 voltin lähtöjännitteillä, mikä vastaa 50 ampeerin SIP-moduulin antotehon heikkenemistä 1,8 voltilla ja samalla ilmavirralla.

Kuva 3. Lämpötilasta johtuvat antotehon heikkenemistä kuvaavat käyrät standardilla 50 ampeerin SIP-moduulilla osoittavat, että se menettää tehoaan jo 70 asteen lämpötilassa, vaikka tuuletukseen käytetään 500 lfm ilmavirtaa. Muratan teholohko ei 200 lfm:n viilennyksellä menetä antotehoaan yhtään.

Uusia ideoita

Muratan 45 ampeerin teholohko on jo markkinoilla, mutta yhtiö kehittää suuremman virran tuotteita. Nämä uudet konspetit on esitetty kuvassa 4. Ylhäällä vasemmalla on 60 ampeerin teholohkon konsepti, joka on kaksivaiheinen ratkaisu, jossa hyödynnetään kahta induktoria ytimen ympärillä. Tämä säästää sekä tilaa että kustannuksia, mutta sen ansiosta jäähdytyselementti voidaan littää suoraan fetteihin. 60 ampeerin toteutus vastaa kooltaan (1 x 0,5 tuumaa) ja nastoitukseltaan 45 ampeerin lohkoa, eli teho- ja virtatiheydessä päästään 33 prosentin parannukseen.

Kuvan oikeassa yläkulmassa on kaksivaiheinen 80 ampeerin konsepti, jonka koko on sama kuin 45 ja 60 ampeerin lohkoissa. Tässä teho- ja virtatiheys kasvaa 78 prosenttia 45 ampeerin lohkoa paremmaksi.

Kuva 4. Murata Power Solutionsin uusien, suurempivirtaisten teholohkojen konseptit. Alkaen vasemmalta ylhäältä: 60 ampeerin yksivaiheinen teholohko jäähdytyselementillä, 80 ampeerin kaksivaiheinen teholohko ja 120 ampeerin nelivaiheinen lohko alimpana.

Jänniteregulaattorimoduulin rakennuspalikat

Kuvan 4 alareunassa näkyvä 120 ampeerin yksikkö on nelivaiheinen ratkaisu, jonka mitat ovat hieman suuremmat eli 0,5 x 1,2 tuumaa. Tämä konsepti on erityisen kiinnostava monivaiheisten VRM- eli jänniteregulaattorimoduulien (voltage regulator module) toteutuksen kannalta.

Teholohkoja on tällä hetkellä tarjolla yksi- ja kaksivaiheisina konfiguraatioina, joissa kaksivaiheinen malli tuottaa kaksi itsenäistä, yksittäisesti ohjattavaa lähtöä. Vaihtoehtoisesti kaksi vaihetta voidaan limittaa, millä voidaan kaksinkertaistaa virta- ja tehotasot ja tuottaa alhaisempi lähtövirran väreily ja parempi vaste virranvaihteluihin (transient). Useita teholohkoyksiköitä voidaan operoida rinnakkain monivaiheohjaimilla, millä päästään 90, 135, 180 ja jopa tätä suurempiin virtoihin. Tällainen järjestely tuottaisi skaalattavan VRM-ratkaisun huomattavasti standardeja VRM-moduuleja joustavammassa kotelossa. Nelivaiheinen moduuli, joka tuottaisi 80 ampeeria vain 0,6 neliötuuman koossa haastaisi todella perinteiset, erillispiireihin pohjaavat VRM-toteutukset.

Kaksi nelivaiheista 80 ampeerin teholohkoa voidaan tuottaa 160 ampeeria cain 1,2 neliötuumassa. Tämä tekniikka on edelleen vasta idea-asteella, mutta teholohkojen räätälöinnillä idea on täysin toteutettavissa.

Lopuksi

Teholohko tuo suurten virtojen tehosovelluksissa monia etuja sekä suhteessa erillispiireihin pohjaavaan suunnitteluun että integroituihin POL-moduuleihin nähden, erityisesti korttialassa. Tuotteita on jo tarjolla 45 ampeeriin asti ja 60, 80 ja 120 ampeerin tuotteen ovat kehityksen alla. Räätälöidyt teholohkot ovat erityisen kiinnostavia VRM-sovellusten kannalta, sillä niissä voidaan saavuttaa erillisratkaisujen kanssa kilpailevia virtatiheyksiä samalla kun kehitykseen kuluva aika ja sen kustannukset, sekä riskit pienenevät. Tällä lähestymistavalla voidaan myös toteuttaa skaalautuvia ratkaisuja, joissa yleisiä emolevyjä voidaan käyttää erilaisten prosessorien kanssa erilaisten suorituskykyvaatimusten täyttämiseksi.