Oli kyse sitten tuotantolaitteista, pilvipalveluista tai tietoliikenteen laitteista, sovelluksilta vaaditaan entistä tarkempaa tehonsäätöä. Yhä useammin vaatimukset täyttyvät vain digitaalisilla muuntimilla.
|
Artikkelin kirjoittaja Bob Cantrell on vanhempi sovellus- ja myynti-insinööri Ericsson Power Modulesissa, joka kuuluu Ericsson-konserniin. Hänellä on yli 30 vuoden työkokemus tehoelektroniikan alueella. Ennen Ericssonia Bob työskenteli Lucent Technologiesin teho järjestelmien divisioonassa, jossa hän vastasi markkinoinnista ja myynnistä. Hän on myös työskennellyt Power-Onella markkinoinnissa ja sovellussuunnittelun päällikkönä. Hän on ollut toteuttamassa maailman ensimmäistä älyverkkoon kytkettyä valaistusjärjestelmää.
|
Monimutkaisten ja paljon tehoa kuluttavien tuotannossa, pilvipalveluissa ja tietoliikenteessä käytettyjen sovellusten täytyy jatkaa energiatehokkuutensa parantamista vastatakseen asiakasvaatimuksiin kustannustehokkaasti ja minimoidakseen ympäristövaikutukset. Digitaaliset tehomuuntimet ovat tärkeä osa ratkaisua, ja viimeisimmän polven laitteet tuovat monia lisäetuja kuten suuremman virtatiheyden, parantuneen lämpösuorituskyky ja paremman luotettavuuden.
Digitaalisen tehon konsepti ja edut
Energian hinnan jatkuva nousu ajaa kohti yhä energiatehokkaampaa laskentaa esimerkiksi teollisuuden ohjauksen, pilvipalvelujen, yrityslaskennan ja tietoliikenteen sovelluksissa. Näihin haasteisiin esitettyjen ratkaisujen joukossa digtaalinen tehonmuunnos minimoi energian häviöt hyvin tehokkaasti koko teholähdearkkitehtuurissa AC-DC-lähdöistä palvelinkorttien kuormien muuntimiin.
Perinteiset analogiset tehomuuntimet, kuten POL-moduulit (point of load), on suunniteltu ennalta määrättyjen parametrien mukaisesti. Ne voivat tuottaa vain ”parhaiten sopivan” (best-fit) suorituskyvyn, kun laskentakuormat ja sitä myötä tehontarve vaihtelee minimin ja maksimin välillä. Uudet digitaaliset muuntimet sen sijaan aistivat ja digitoivat syöttöjännitteen ja syöttävät digitaalisen arvon mikro-ohjaimella suoritettavalle algoritmille, joka generoi tarvittavat ohjaussignaalit. Ohjausstrategiaa voidaan muuttaa dynaamisesti niin, että suorituskyky optimoidaan kulloistenkin toimintaolosuhteiden mukaan.
Tästä digitaalisten tehomuuntimien joustavuudesta seuraa joukko arvokkaita etuja. Muuntimen hyötysuhde voi olla paljon johdonmukaisempi – eli vakaampi - koko kuorma-alueella, erityisesti kevyissä kuormissa joissa analogiset muuntimet ovat usein hyötysuhteeltaan heikompia. Lisäksi syöttöjännitettä voidaan säätää järjestelmän tehokkuuden optimoimiseksi. Edelleen sovelluksessa, jolla on tietty tulojännite, lähtöjännite ja kapasitiivinen kuorma, voidaan digitaalisen muuntimen ohjaussilmukka optimoida vakaaseen toimintaan ja parannettuun kuorman vaihtelujen vasteisiin. Tämä optimointi minimoi niiden irtikytkentäkondensaattorien määrän, joka vaaditaan tietylle kuormanvaihtelulle. Tämä alentaa kustannuksia ja pienentää vaadittavaa korttialaa.
DLC-toiminto (Dynamic Loop Compensation), joka löytyy esimerkiksi uudesta 60 ampeerin BMR466-muuntimesta, mittaa teholinjan ominaisuuksia ja laskee oikeat PID-korjauskertoimet. Sen jälkeen kun syöttöjännite on nostettu ylös, DLC-algoritmi käynnistyy jaa uusi optimoitu korjauskerroin (PID-asetus) lasketaan ja otetaan käyttöön. DLC eliminoi tarpeen lisätä komponentteja muuntimen vakauttamiseksi, ja se myös minimoi suodinkondensaattorien tarpeen.
Digitaaliteknologia yksinkertaistaa suunnittelua, mutta myös pienentää muuntimen komponenttimäärää, mikä voi nopeuttaa tuotteen markkinoille saamista ja säästää tilaa palvelinkorteilla. Tilansäästö on erittäin tärkeää kalliilla, monikerroksisilla pääkorteilla, erityisesti monimutkaisemmissa järjestelmissä joissa voi olla 10, 15 tai enemmän POL-muuntimia syöttämässä tehoja laitteille kuten prosessoreille, FPGA- tai ASIC-piireille. BMR466-muunninta voidaan ajaa jopa 94,4 prosentin hyötysuhteella viiden voltin tulolla ja 1,8 voltin lähtöjännitteellä puolella kuormalla.
Digitaalisen muuntimen pienempi komponenttimäärä auttaa myös parantamaan sen luotettavuutta. BMR466-muuntimen laskennallinen toiminta-aika on 50 miljoonaa tuntia (laskettu standardilla Telcordia-menetelmällä). Lisäksi BMR466-muuntimen edistynyt lämpösuunnittelu takaa, että moduuli toimii hyvin luotettavasti ilman lämpötilasta aiheutuvaa alentunutta tehoa.
Moduulissa hyödynnetään Ericssonin LGA-koteloalustaa, jossa juotostyynyjen välit on optimoitu, minkä ansiosta moduuli johtaa lämpöä pois hyvin tehokkaasti ja sen lämpösuorituskyky (thermal performance) on erinomainen. Sisäinen sijoittelu on optimoitu siirtämään lämpöä pois teho-FETeiltä, jotka ovat suurin lämmönlähde missä tahansa POL-muuntimessa. BMR446-muuntimen korkeus on 0,276 tuumaa, minkä ansiosta se ei peitä alaspäin menevää ilmavirtaa. Korkea hyötysuhde ja hyvä lämpösuorituskyky yhdessä mahdollistavat sen, että BMR446 voi syöttää suurempaa virtaa pienemmästä alasta (footprint) kuin kilpailevat muuntimet.
Muuntimen koko on 0,98 x 0,55 tuumaa (2,49 x 1,40 cm), joten se voidaan helposti sijoittaa kuorman lähelle, mikä helpottaa hallitsemaan virranvaihteluita kuormassa. Järjestelmiin, jotka vaativat yli 60 ampeerin virtoja, voidaan jopa kahdeksan BMR466-muunninta liittää rinnan syöttämään jopa 480 ampeerin virtaa. Kun käytetään useampia moduuleita, kaksi tai useampi yksivaiheinen BMR466-muunnin voidaan synkronoida ulkoisella kellosignaalilla. Tämä mahdollistaa vaiheen jakamisen (phase spreading), mikä vähentää suuresti tulovirran värinää ja tätä vastaavia kapasitanssivaatimuksia ja tehohäviöitä.
Paremman hyötysuhteen, yksinkertaisuuden ja parantuneen luotettavuuden lisäksi Ericssonin digitaaliset muuntimet kuten BMR466 mahdollistavat tulo- ja lähtöjännitteiden ja virtojen, sisäisen lämpötilan, käyttöjakson ja kytkentätaajuuden monitoroinnin helpommin kuin perinteisissä analogisissa muuntimissa. Tämä paitsi nopeuttaa ja tarkentaa muunninasetusten säätämistä, myös mahdollistaa sen, että valvova isäntäjärjestelmä tunnistaa kortin teholähteen ongelmat ja määrittelee tarvittavat ylläpitovaatimukset.
Suunnittelu ja konfigurointi
Kuten muutkin Ericssonin digitaaliset 3E-uuntimet, myös BMR466:n suunnittelu onnistuu Ericssonin Power Designer -työkaluilla. Näillä työkaluilla onnistuu niin kehitys kuin prototypointi sekä moduulien konfigurointi tuotantolinjalla. Suunnittelija voi rakentaa järjestelmän työkaluilla ennen laitteiston ostamista, ja voi myös käyttää työkaluja yhdessä evaluointikortin kanssa.
Power Designer yksinkertaistaa huomattavasti digitaalisten tehomoduulien asetusten tekoa ja käynnistämistä. Se esimerkiksi antaa pääsyn muuntimen ohjaussilmukkaan kuormavaihtelujen vasteiden ja vakauden optimoimiseksi, sekä mahdollistaa tulo- ja lähtösuotimien optimoinnin mahdollisimman pienellä kondensaattorien määrällä. Tämä takaa mahdollisimman alhaiset materiaalikustannukset sekä laitteen nopean markkinoille saamisen. Työkalulla voidaan konfiguroida yksinkertaisia järjestelmiä tai monimoduuli/monivaihejärjestelmiä ja suunnittelija voi hallita virranjakoa, sarjoitusta ja seurantaa, synkronointia ja vaiheen siirtoja.
Lisäksi avainparametrien kuten lämpötilan, virran ja jännitteen reaaliaikainen tilanvalvonta auttaa tunnistamaan ja korjaamaan vikoja. Sen jälkeen kun suunnittelu on valmis, käyttäjät voivat helposti generoida konfigurointitiedostot, jotka voidaan asentaa suoraan yksikköihin tuotantolinjalla.
Digitaaliset muunninsovellukset
Kaikenlaisten laitteiden suunnittelijat kiinnostuvat tehomuuntimesta, joka lupaa paremman hyötysuhteen ja suurempia virtoja pienemmästä korttialasta samalla, kun laitteen luotettavuus ja vakaus säilyvät. BMR466-muunnin loistaa sovelluksissa, jotka vaativat lisättyä tehonsiirtoa pienemmässä alassa ilman, että luotettavuus kärsii ja ilman, että jäähdytykselle kuten tuulettimelle tai jäähdytyselementille pitää varata lisää tilaa.
BMR466-muuntimen parantunut lämpösuorituskyky mahdollistaa sen, että nämä laitteet toimivat luotettavasti pitkiä aikoja korkeilla virroilla. BMR466 pystyy tuottamaan 60 ampeerin virran 1,8 voltin kuormaan ympäröivän ilman lämpötilan ollessa 70 astetta ja ilmavirtauksen yksi metri sekunnissa. Allaoleva tehon heikkenemistä (derating) kuvaava kaavio osoittaa, että muunnin kykenee selvästi parempaan lämpösuorituskykyyn ja luotettavuuteen perinteisiin digitaalisiin muuntimiin verrattuna samalla jäähdytyksen ilmavirtauksella.
Parempi lämpösuorituskyky (thermal performance) auttaa parantamaan luotettavuutta verrattuna perinteisiin muuntimiin ilman, että tarvitaan lisäjäähdytystä.
Seuraava askel: ohjelmistollisesti määritelty teho
BMR466-muunnin tukee PMBus-komentoja, joten se on valmis seuraavan sukupolven ohjelmistoilla määriteltäviä tehoarkkitehtuureja varten. Nämä tulevat hyödyntämään digitaalisten muuntimien joustavuutta uusien ja monipuolisten toimintatilojen tuomiseen. Ohjelmiston ohjauksessa näissä muuntimissa päästään joustavuuteen ja reagointikykyyn, jota ei aiemmin ole nähty.
Nyt kun BMR466:n kaltaiset moduulit ovat nostaneet hyötysuhteen korkeammalle tasolle, ohjelmallisesti määritelty teho vie lisäetujen hakemisen järjestelmätasolle. Ominaisuudet kuten väyläjännitteen dynaaminen säätäminen ja vaiheen jakaminen (phase spreading) ovat tekniikoita, joiden avulla muuntimia voidaan ohjata reaaliaikaisesti PMBus-komennoilla. Tämä kasvattaa entisestään muuntimen hyötysuhdetta, parantaa luotettavuutta ja edistää tulevaisuuden jaettujen tehoarkkitehtuurien kontrolloitavuutta.
Lääkintälaitteiden internet (IoMT) yhdistää diagnostiikan, puettavat anturit ja sairaalalaitteet pilvipohjaisiin järjestelmiin. Etävalvonta, reaaliaikainen data ja koneoppiminen lupaavat parempaa hoidon laatua ja kustannussäästöjä, mutta samalla ratkaistavaksi jäävät yhteentoimivuus, sääntely ja tietoturva.