Ridurre i tempi di progettazione di sistemi di potenza complessi

Il software online Power System Designer è stato esplicitamente ideato da Vicor per consentire a un progettista di creare un sistema di alimentazione in pochi minuti

Pubblicato il 21 marzo 2017

I recenti sviluppi nei componenti per sistemi di potenza hanno significato la possibilità per i progettisti di configurare sistemi di alimentazione caratterizzati da potenze enormemente superiori rispetto a quelle ottenibili solo poco tempo fa. Ciò è imputabile in larga misura al fatto che i sistemi odierni sono realizzati sfruttando microprocessori e FPGA che richiedono correnti sempre maggiori in presenza di una pluralità di tensioni di valore molto ridotto.

Fig. 1 – Una tipica applicazione di un modulo BCM

Le schede elettroniche su cui questi componenti sono inseriti richiedono più livelli di alimentazione, elevata stabilità, alti livelli di potenza e spesso con complessi vincoli di sequenziamento. A livello di rack o a di sistema le problematiche tendono a complicarsi ulteriormente. Le architetture innovative di conversione di potenza, che sfruttano i vantaggi derivati dall’evoluzione dei semiconduttori di potenza hanno permesso di implementare le soluzioni modulari ad alte prestazioni al momento disponibili.

Tuttavia, l’attività dei progettisti non è stata minimamente semplificata poiché i progressi tecnologici hanno comportato l’estensione delle opzioni disponibili per configurare un sistema e soddisfare qualsiasi tipo di specifica. La gamma di moduli oggi disponibili implica un cambiamento che, sebbene possa apparire di lieve entità, può avere un impatto radicale. Essi hanno separato le funzioni base di un alimentatore, come livello di conversione di tensione, regolazione e isolamento. La libertà di posizionare queste funzioni secondo la necessità, attraverso tutta la catena di alimentazione (power supply chain), comporta la necessità di valutare un maggior numero di opzioni per arrivare al layout ottimale.

Maggior scelta significa più flessibilità

Dispositivi innovativi come i BCM di Vicor offrono un esempio di come le scelte di progettazione risultino oggi molto più ampie. Un BCM è un modulo di conversione di bus DC-DC a bassa tensione che, grazie alla tecnologia Sine Amplitude Conversion di Vicor, permette di effettuare una conversione bidirezionale con rapporto fisso a un livello di efficienza molto elevato. Il BCM, ospitato in un package ChiP, (o in opzione sfruttando la tecnologia di package VIA – Vicor Integrated Adapter di facile utilizzo), mette a disposizione dei progettisti di sistemi di potenza funzioni di conversione DC-DC isolata.

La regolazione può essere effettuata a monte del BCM, con una tensione stabile a 48V è possibile alimentare un terminale (rail) a bassa tensione sulla scheda PCB senza che sia richiesta un’ulteriore regolazione. Oppure è possibile effettuare una conversione verso il basso della tensione di un terminale he ha una regolazione meno precisa, lasciando ai regolatori PoL (Point of Load) il compito di fornire le tensioni richieste dalla molteplicità di terminali presenti sulla scheda. Nella figura 1 è riportata una tipica applicazione di un modulo BCM.
I moduli BCM fanno parte di un ampio portafoglio di componenti di potenza di Vicor che comprende dispositivi come VTM, un moltiplicatore di corrente puntuale (sempre con rapporto fisso di conversione), PRM, regolatore da utilizzare in architetture di tipo FPA (Factorized Power Architecture) che potrebbe alimentare un VTM per generare tensioni PoL e DCM, un convertitore DC-DC regolato e isolato.

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Fig. 2 – Power System Designer è un tool online di Vicor che semplifica la progettazione di alimentatori

Si tratta di esempi di blocchi funzionali, regolati e non regolati, isolati e non isolati, che possono essere assemblati in un numero di combinazioni virtualmente senza limiti. Per i progettisti, dunque, il problema è la scelta della soluzione ottimale per lo sviluppo del sistema di alimentazione, vista la quantità di opzioni complete tra cui scegliere.

In passato, le scelte di progettazione erano spesso vincolate dalle prestazioni dei dispositivi e dall’adozione di pratiche comunemente adottate. Per esempio, terminale di distribuzione a 48V era spesso una caratteristica standard in uno schema di distribuzione della potenza. Tuttavia, con l’avvento dei convertitori buck delle ultime generazioni, si avrebbe un netto calo in termini di efficienza di conversione in presenza di un rapporto di conversione elevato (ad esempio da un 48V a un valore di tensione a cifra singola). In presenza di schede PCB che necessitano di alimentazioni un numero sempre maggiori di terminali che richiedono tensioni di 1V o inferiori, sarebbe preferibile poter disporre di un valore di tensione intermedio, ad esempio 12V.

Il costo dell’ottimizzazione

Con i componenti di potenza Vicor, la conversione da una tensione da 48V a un valore richiesto da un regolatore PoL non solo è possibile, ma può rappresentare l’opzione migliore nel momento in cui è possibile eliminare le perdite associate alla generazione di un bus intermedio. Non è necessario un grande sforzo di immaginazione per osservare che “l’universo” di soluzioni flessibili si è allargato notevolmente. È divenuto un problema di ottimizzazione, visto il gran numero di opzioni possibili.

Per ottenere un’efficienza ottimale, i progettisti non hanno avuto altre scelta che tornare alla consultazione dei data sheet. Ogni data sheet presenta, pagina dopo pagina, grafici che mostrano parametri operativi e prestazioni di quel particolare dispositivo. Dopo aver scelto la topologia adatta per il sistema di potenza, il progettista deve operare su di essa: stabilire il punto di funzionamento di ogni modulo, controllare la loro efficienza e perdite di conversione, eseguire somme e annotazioni con carta e penna (o foglio elettronico), quindi ripetere tutte queste operazioni per ogni configurazione alternativa che sembri un’opzione realistica.

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Fig. 3 – Una tipica schermata del software Power System Designer

Se la potenza in standby fosse un elemento da prendere in considerazione, si dovrà ripetere il processo utilizzando i valori di potenza a riposo di ogni blocco. La possibilità di posizionare le funzioni fondamentali della conversione di potenza in modo flessibile nella catena di conversione offre un ulteriore grado di libertà. In una certa misura, e in considerazione del fatto che alcune perdite /dissipazioni termiche sono inevitabili, i progettisti possono configurare la topologia di alimentazione in modo che le perdite risultino concentrate nel punto in cui siano più facili da gestire.
Una volta completato questo lavoro, il progettista avrà comunque preso in considerazione solamente gli aspetti legati all’efficienza e alle perdite.

Ma vi potrebbero essere altri vincoli, non ultimi il costo. Configurazioni equivalenti che risultino conformi alle specifiche per quanto concerne le prestazioni in termini elettrici possono differire, e di molto, in termini di BOM. Un altro aspetto della progettazione di alimentatori, fortemente cambiato nel corso di molte generazioni, è che l’alimentatore deve essere posizionato nello spazio rimasto libero nel cabinet o rack, una volta ultimato il posizionamento di tutti gli altri componenti. Di conseguenza, il footprint (ovvero l’ingombro) fisico può divenire un aspetto critico; non solo quello dei blocchi principali (conversione AC-DC off line), ma anche quello dei regolatori PoL point-of-load ed ogni dispositivo passivo distribuito nella scheda PCB.

Progettare sistemi di potenza: un approccio migliore

In un contesto come quello appena descritto Vicor ha deciso di sviluppare il software online Power System Designer (Fig. 2), esplicitamente ideato per consentire a un progettista di creare un sistema di alimentazione in pochi minuti. Power System Designer è un tool di facile utilizzo che accetta ingressi di tipo parametrico basato sulla Power Component Design Methodology di Vicor che permette di sviluppare in tempi brevi soluzioni di alimentazioni ottimizzate. Questo strumento, che ovviamente utilizza componenti di potenza Vicor, richiede ai progettisti di definire un sistema nei suoi termini più semplici, ovvero ingresso e uscita. Utilizzando quei dati, esso genera automaticamente la configurazione di un alimentatore completo, oltre ai relativi parametri operativi.

Nessun altro strumento offre una tale semplicità d’uso e una copertura veramente end-to-end (dalla sorgente al PoL). Sebbene il Power System Designer non sia un simulatore circuitale completo, esso è supportato dalla simulazione, esaustiva e dettagliata, di ognuno dei componenti di potenza di Vicor. L’approccio ricorda quello basato su un modello comportamentale, dove il funzionamento dettagliato di ognuno dei componenti e moduli è stato simulato e/o misurato durante il funzionamento reale archiviato in forma tabellare, in una forma a cui lo strumento può rapidamente accedere.

A questo si aggiunge un livello di comportamento basato su regole; grazie all’ampia gamma di soluzioni disponibili con i componenti di potenza di Vicor, alcune scelte che sono inevitabilmente più produttive di altre, e quella conoscenza è integrata nel software. A causa della sua modalità di funzionamento, Power System Designer è rapido, preciso e produce risultati istantanei. Quando giunge il momento di verificare una soluzione con una più dettagliata analisi parametrica, il software si comporta come un “front-end” verso il tool Whiteboard, completamente editabile, di Vicor.

Personalizzazione di una soluzione basata sulle cifre di merito chiave

Data una sorgente di ingresso AC o DC e un range operativo, insieme a tensioni di uscita e rispettiva potenza (o corrente) richieste e le specifiche di isolamento e regolazione, il software identifica automaticamente non solo la “miglior” soluzione, ma presenta un range di soluzioni alternative, ognuna accompagnata da uno variazione delle cifre di merito. L’efficienza è presentata non solo come una efficienza di conversione complessiva, ma suddivisa in efficienza a livello di front-end e di PoL.

Gli altri parametri comprendono:
• Minor numero di componenti.
• Minori costi (i costi sono presentati per pezzo singolo e per 500 unità).
• Minor ingombro sulla scheda.
• Migliore alternativa disponibile.

Anche in questo caso i progettisti possono prendere in considerazione opzioni per “trasferire” l’ingombro fisico lungo la catena di conversione di potenza, visto che lo strumento rende disponibili i dati relativi agli ingombri (della sezione di front end e dei PoL) per ciascuna soluzione. Per ogni progetto selezionato, il Power System Designer mostra una rappresentazione visiva del layout meccanico del sistema e generare una Bill-of-Material (BOM) completa insieme alle informazioni su modalità di ordine e prezzi. Una tipica schermata è riportata in figura 3.

Un approccio più rapido e olistico alla progettazione

Power System Designer riporta anche l’utilizzazione della potenza relativamente all’uscita di ogni PoL e del front end – ovvero la capacità realmente utilizzata da ogni componente specificato nella soluzione scelta. In tal modo i progettisti ottengono una visione dettagliata sia dei margine di progetto sia dell’utilizzo della capacità di un dato schema. Per una analisi più dettagliata è sufficiente lanciare Whiteboard Vicor con un semplice click.

Power System Designer assicura un significativo miglioramento rispetto ai simulatori e agli altri ausili alla progettazione che sono stati finora offerti: esso fornisce una visione olistica dei fabbisogni di potenza tra ingresso e uscita, anzichè concentrarsi su parametri del front-end o sulle prestazioni al punto di carico. Consentendo la valutazione di tutta la gamma di soluzioni che è possibile implementare le famiglie di componenti di potenza modulari ad alta densità di Vicor testati sul campo, in grado di soddisfare qualsiasi esigenza sia del front end sia del power train. In questo modo è possibile sviluppare soluzioni caratterizzate da densità di potenza superiori in un tempo inferiore, minimizzando contemporaneamente i rischi di progetto.

Arthur Jordan, applications engineer, Vicor



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