¿Restricciones de espacio de PCB? Cómo pueden ayudar los convertidores de bus intermedios

La arquitectura de bus intermedio es un método emergente que los diseñadores de energía están utilizando para ahorrar espacio en la PCB. Este artículo analiza los beneficios de la solución y las compensaciones de adoptar esta técnica, y cómo se puede escalar para abordar los requisitos específicos de la aplicación.

El campo de la electrónica de potencia se ha convertido en una industria bien establecida y altamente investigada que se remonta más de 100 años a la invención de los rectificadores de arco de mercurio en 1902 por Peter Cooper Hewitt. La invención de estos rectificadores fue seguida por los rectificadores de tubo de gas de cátodo caliente en 1926, los transistores en 1948, los transistores de silicio p-n-p-n en 1956, el IGBT en 1980 y muchos más. En el siglo XXI, la electrónica de potencia sigue evolucionando en los campos de la energía limpia, los vehículos eléctricos y las aplicaciones de servidor. El crecimiento en estas industrias emergentes requiere que los diseñadores de energía encuentren soluciones nuevas e innovadoras para cumplir con los requisitos cambiantes que exigen soluciones más pequeñas y rentables.

Una de estas arquitecturas emergentes es el uso de un convertidor de bus intermedio (IBC) en aplicaciones de energía. Si bien la arquitectura de energía distribuida (DPA) se ha convertido en un estándar de la industria para diseños de punto de carga (POL), la arquitectura de bus intermedio (IBA) es un método emergente que permite a los diseñadores reducir el tamaño de la solución y utilizar convertidores POL de bajo costo. Los convertidores POL son convertidores CC-CC reductores cerca de la carga, lo que minimiza la impedancia y proporciona un suministro de voltaje preciso. Pueden ser módulos de potencia como Intel® Enpirion® PowerSoC o convertidores buck discretos. El uso de IBA para alimentar convertidores POL a menudo puede generar costos más bajos y tamaños de solución más pequeños, al tiempo que se mantiene la eficiencia competitiva del sistema.

Figura 1. Arquitectura de energía distribuida tradicional de una etapa frente a arquitectura de bus intermedio de 2 etapas

Las ventajas de usar IBA sobre DPA dependen de la cantidad de rieles de potencia convertidos, con más rieles resultando en más espacio y ahorro de costos. La eficiencia del sistema puede seguir siendo competitiva dependiendo de los convertidores POL utilizados.

Tabla 1. Comparación de las compensaciones entre IBA y DPA

	Arquitectura IBC	Arquitectura DPA
Costo	Menor costo debido a inductores y convertidores POL más pequeños	Mayor costo debido a las tecnologías de proceso de mayor voltaje y la inductancia requerida
Eficiencia	Eficiencias del sistema más bajas debido a la pérdida de energía en la conversión de la primera etapa	Mayor eficiencia del sistema en ausencia de una etapa intermedia
Tamaño de la solución	Tamaño total de la solución más pequeño	Tamaño total de la solución más grande
Densidad de potencia	Soluciones de mayor densidad de potencia	Soluciones de menor densidad de energía
N.º de rieles	Ideal para usar con> 3+ rieles de salida	Ideal para usar con <3 rieles de salida

En la siguiente discusión, el convertidor de bus intermedio Intel EC2650QI de 12 a 6 V y los PowerSoC de Intel Enpirion se utilizarán como ejemplos de diseño.

Tabla 2. Convertidor de bus intermedio Intel Enpirion EC2650QI de 12 a 6 V

Especificaciones	Funciones
VIN:8 - 13,2 V	Hasta un 94% de eficiencia
VOUT:VIN / 2	0,9 mm de altura
6 A de corriente de salida continua	36 W de potencia de salida por convertidor de bus
Tamaño de la solución de 150 mm²	Capacidad en paralelo (hasta cuatro para un total de 144 W)

Enfoque de conversión de energía de múltiples etapas que requiere menos espacio en la PCB

Cuando se convierte directamente de 12 V en un enfoque de 1 etapa, los siguientes convertidores de potencia de 12 V CC-CC que se utilizan requieren una tecnología de proceso de 20 V o superior para soportar la entrada más grande. El proceso de voltaje más alto es necesario para garantizar un margen suficiente entre el rango operativo y la falla del dispositivo debido a picos de voltaje. Cuanto mayor sea el proceso de voltaje, mayor será el dispositivo, ya que se necesita más espacio entre el drenaje, la fuente y la puerta de los transistores en el interior.

Por el contrario, utilizar un enfoque de 2 etapas reduciendo primero de 12 V a 6 V permite módulos POL de entrada más bajos aguas abajo. Los módulos de voltaje de entrada más bajo suelen ser más pequeños y tienen un precio competitivo, ya que solo requieren una tecnología de proceso de 10 V y no necesitan los circuitos internos para manejar estos voltajes de entrada más altos.

Además, cuando se convierte de voltajes de entrada más altos, el inductor debe poder manejar la diferencia de voltaje durante cada ciclo de conmutación. Cuando se reduce directamente desde 12 V, se requiere una inductancia más alta o una frecuencia de conmutación más alta para minimizar la ondulación de salida. A menudo, los diseñadores de energía eligen implementar una inductancia más alta porque una frecuencia de conmutación más alta generalmente significa más pérdida de energía y menor eficiencia. Sin embargo, esta mayor inductancia se traduce en más devanados alrededor del núcleo magnético de un inductor, lo que aumenta el tamaño físico del inductor. Usar el IBC para reducir de 12 V a 6 V en su lugar permitirá a los diseñadores lograr una ondulación similar sin la necesidad de aumentar el tamaño físico del inductor de cada POL.

Soluciones de diseño eficientes a pesar de la penalización por conversión de dos etapas

La eficiencia general del sistema en un enfoque de 2 etapas depende en gran medida de la eficiencia del convertidor de bus. Para evitar la penalización común de conversión de energía de dos etapas, los diseñadores deben elegir un IBC de alta eficiencia, como el EC2650QI, que ofrece hasta un 94% de eficiencia de conversión mediante el uso de una topología de condensador conmutado.

Por ejemplo:

En un enfoque de conversión directa de 1 etapa, la conversión de 12 V a 3,3 V a 3 A podría ser del 92% con Intel EN2340QI.

Figura 2. Curva de eficiencia para Intel Enpirion EN2340QI dado un Vin de 12V.

En un enfoque de 2 etapas, la conversión de 12 V a 6 V primero podría ser del 94% con Intel EC2650QI.

• Luego, convertir 6 V a 3.3 V a 3 A podría ser del 95% usando Intel EN6340QI.
• Finalmente, la eficiencia total para el enfoque de 2 etapas sería:0.94 x 0.95 =89.3%.

Figura 3. La curva de eficiencia para Intel Enpirion EC2650QI da un Vin de 12V.

Figura 4. Curva de eficiencia para Intel Enpirion EN6340QI dado un Vin de 5V.

Al comparar el 92% con el 89,3%, vemos que el IBC crea algunas pérdidas de eficiencia adicionales que no están presentes en un enfoque de conversión directa. Sin embargo, para algunos diseñadores de energía o aplicaciones, el ahorro de espacio ganado puede superar los compromisos en eficiencia.

Esta pérdida de eficiencia se puede mitigar aún más mediante varias opciones de diseño, al tiempo que se preservan los ahorros de espacio que se obtienen con el uso del IBC. Los diseñadores de energía pueden optar por diseñar específicamente el IBC en rieles de baja corriente, lo que minimizaría la pérdida de potencia adicional. También pueden optar por seleccionar convertidores más grandes, lo que puede hacer que el diseño general sea más eficiente. El uso de IBC permite a los ingenieros escalar sus opciones de diseño para encontrar una arquitectura que equilibre perfectamente sus limitaciones de tamaño, requisitos de eficiencia y necesidades de costos.

¿Cuándo deberían los diseñadores de sistemas elegir diseñar con IBA?

Generalmente, los diseñadores de energía deben considerar IBA cuando tienen requisitos estrictos de tamaño o costo de la solución, pero cierta flexibilidad en la eficiencia. En particular, el uso de este enfoque de 2 etapas suele ser más beneficioso al convertir 3 o más rieles, ya que los beneficios de un tamaño de solución más pequeño y un costo más bajo se vuelven cada vez más evidentes. Como se indicó anteriormente, una arquitectura IBC se puede escalar y adaptar para cumplir con los requisitos de diseño específicos.

Por ejemplo, si usamos Intel EN2342QI para las siguientes cuatro barandillas, la eficiencia estimada del sistema es aproximadamente del 87% con un tamaño total de solución de 800 mm². Si usamos el IBC con cuatro convertidores POL más pequeños, la eficiencia estimada del sistema es aproximadamente del 84% con un tamaño total de solución de 390 mm². El enfoque de 2 etapas tiene una eficiencia comparable al tiempo que requiere menos de la mitad del espacio de la PCB, ¡un aumento del 51% en el ahorro de espacio! Con cada barandilla adicional, hay un ahorro medio de espacio de 100 mm² y más ahorros de costes.

Figura 5. Ejemplos de árboles de potencia para arquitectura IBC de 1 etapa frente a arquitectura de 2 etapas con POL pequeños

Tabla 3. Comparación a nivel de sistema de la eficiencia total y el tamaño de la solución

1 etapa usando POL grandes	2 etapas con pequeños POL
Eficiencia:~ 87%	Eficiencia:~ 84%
Tamaño total de la solución:800 mm²	Tamaño total de la solución:390 mm²

Para algunos diseñadores, los drásticos ahorros de espacio y costos pueden compensar la disminución de la eficiencia del sistema. Sin embargo, la eficiencia puede ajustarse y mejorarse aún más sustituyendo algunos convertidores POL pequeños por otros más grandes, como en el siguiente ejemplo.

Figura 6. Ejemplos de árboles de energía para arquitectura IBC de 1 etapa frente a arquitectura de 2 etapas utilizando POL pequeños y grandes

Tabla 4. Comparación a nivel de sistema de la eficiencia total y el tamaño de la solución

1 etapa usando POL grandes	2 etapas con POL pequeños y grandes
Eficiencia:~ 87%	Eficiencia:~ 85%
Tamaño total de la solución:800 mm²	Tamaño total de la solución:590 mm²

En el ejemplo anterior, sustituimos dos de los convertidores EN6340QI POL pequeños por convertidores EN6362QI más grandes y eficientes. Después de hacerlo, la eficiencia aumentó a más del 85%, con un tamaño de solución aún 26% más pequeño en comparación con un enfoque DPA.

IBA proporciona herramientas de diseño adicionales para soluciones personalizadas

En resumen, IBA proporciona una herramienta de diseño adicional y una oportunidad única para que los ingenieros personalicen una solución que satisfaga sus necesidades específicas. La incorporación del convertidor de bus intermedio permite a los diseñadores de energía utilizar módulos que requieren tanto un proceso de voltaje como una inductancia más bajos. Estos cambios se traducen directamente en tamaños de solución totales más pequeños.

Cualquier pérdida de energía de la etapa adicional se puede mitigar utilizando un IBC de alta eficiencia y tomando decisiones de diseño específicas de la aplicación. Un ejemplo de ello es Intel Enpirion EC2650QI, que se puede conectar en paralelo con hasta cuatro dispositivos para crear un bus de 144 W, y cada dispositivo requiere solo 150 mm² de tamaño de solución total.

Recursos adicionales

• Página de información de Intel Enpirion
• Introducción al vídeo de YouTube de Intel Enpirion Power Solutions
• Página del producto EC2650QI
• Vídeo de YouTube de la descripción general de Intel EC2650QI

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