Contraintes d'espace PCB ? Comment les convertisseurs de bus intermédiaires peuvent vous aider

L'architecture de bus intermédiaire est une méthode émergente que les concepteurs de puissance utilisent pour économiser l'espace PCB. Cet article traite des avantages de la solution et des compromis liés à l'adoption de cette technique, et comment elle peut être mise à l'échelle pour répondre aux exigences spécifiques à l'application.

Le domaine de l'électronique de puissance est devenu une industrie bien établie et très étudiée qui remonte à plus de 100 ans à l'invention des redresseurs à arc au mercure en 1902 par Peter Cooper Hewitt. L'invention de ces redresseurs a été suivie par les redresseurs à tube à gaz à cathode chaude en 1926, les transistors en 1948, les transistors au silicium p-n-p-n en 1956, l'IGBT en 1980 et bien d'autres. Au 21e siècle, l'électronique de puissance continue d'évoluer dans les domaines de l'énergie propre, des véhicules électriques et des applications de serveur. La croissance de ces industries émergentes oblige les concepteurs d'énergie à trouver des solutions nouvelles et innovantes pour répondre aux exigences en constante évolution, appelant à des solutions plus petites et plus rentables.

L'une de ces architectures émergentes est l'utilisation d'un convertisseur de bus intermédiaire (IBC) dans les applications d'alimentation. Alors que l'architecture d'alimentation distribuée (DPA) est devenue une norme de l'industrie pour les conceptions de point de charge (POL), l'utilisation d'une architecture de bus intermédiaire (IBA) est une méthode émergente qui permet aux concepteurs de réduire la taille de la solution et d'utiliser des convertisseurs POL à faible coût. Les convertisseurs POL sont des convertisseurs DC-DC abaisseurs à proximité de la charge, minimisant l'impédance et fournissant une alimentation en tension précise. Il peut s'agir de modules d'alimentation tels que les PowerSoC Intel® Enpirion® ou de convertisseurs buck discrets. L'utilisation d'IBA pour alimenter les convertisseurs POL peut souvent conduire à des coûts inférieurs et à des tailles de solutions plus petites tout en maintenant une efficacité système compétitive.

Figure 1. Architecture d'alimentation distribuée traditionnelle à un étage par rapport à l'architecture de bus intermédiaire à 2 étages

Les avantages de l'utilisation de l'IBA par rapport au DPA dépendent du nombre de rails d'alimentation convertis, avec plus de rails entraînant plus d'espace et d'économies. L'efficacité du système peut rester compétitive selon les convertisseurs POL utilisés.

Tableau 1. Comparaison des compromis IBA vs DPA

	Architecture IBC	Architecture DPA
Coût	Coût inférieur grâce à des inductances et des convertisseurs POL plus petits	Coût plus élevé en raison des technologies de traitement à plus haute tension et de l'inductance requise
Efficacité	Réduction de l'efficacité du système en raison de la perte de puissance lors de la conversion du 1er étage	Efficacité du système plus élevée en l'absence d'étape intermédiaire
Taille de la solution	Taille totale de la solution plus petite	Taille totale de la solution plus grande
Densité de puissance	Solutions à densité de puissance plus élevée	Solutions à faible densité de puissance
Nombre de rails	Idéal pour une utilisation avec> 3+ rails de sortie	Idéal pour une utilisation avec <3 rails de sortie

Dans la discussion suivante, le convertisseur de bus intermédiaire 12 à 6 V Intel EC2650QI et les PowerSoC Intel Enpirion seront utilisés comme exemples de conception.

Tableau 2. Convertisseur de bus intermédiaire Intel Enpirion EC2650QI 12 à 6 V

Spécifications	Caractéristiques
VIN :8 – 13,2 V	Jusqu'à 94 % d'efficacité
VOUT : VIN /2	hauteur 0,9 mm
Courant de sortie continu de 6 A	Puissance de sortie de 36 W par convertisseur de bus
Taille de la solution 150 mm²	Compatible en parallèle (jusqu'à quatre pour 144 W au total)

Approche de conversion de puissance à plusieurs étages nécessitant moins d'espace PCB

Lors de la conversion directe à partir de 12 V dans une approche à 1 étage, les convertisseurs de puissance 12 V CC-CC suivants qui sont utilisés nécessitent une technologie de processus de 20 V ou plus pour supporter l'entrée plus importante. Le processus de tension plus élevée est nécessaire pour garantir une marge suffisante entre la plage de fonctionnement et la panne de l'appareil due aux pointes de tension. Plus le processus de tension est important, plus le dispositif est gros, car plus d'espace est nécessaire entre le drain, la source et la grille des transistors à l'intérieur.

En revanche, l'utilisation d'une approche en 2 étapes en passant d'abord de 12 V à 6 V permet des modules POL d'entrée inférieurs en aval. Les modules de tension d'entrée plus faible sont souvent plus petits et à un prix compétitif car ils ne nécessitent qu'une technologie de processus de 10 V et n'ont pas besoin de circuits internes pour gérer ces tensions d'entrée plus élevées.

De plus, lors de la conversion à partir de tensions d'entrée plus élevées, l'inducteur doit être capable de gérer la différence de tension pendant chaque cycle de commutation. Lors de la descente directe de 12 V, une inductance plus élevée ou une fréquence de commutation plus élevée est nécessaire pour minimiser l'ondulation de sortie. Souvent, les concepteurs de puissance choisissent de mettre en œuvre une inductance plus élevée, car une fréquence de commutation plus élevée signifie généralement plus de perte de puissance et une efficacité réduite. Cependant, cette inductance plus élevée se traduit par plus d'enroulements autour du noyau magnétique d'un inducteur, ce qui augmente la taille physique de l'inducteur. L'utilisation de l'IBC pour passer de 12 V à 6 V permettra aux concepteurs d'obtenir une ondulation similaire sans avoir besoin d'augmenter la taille physique de l'inducteur de chaque POL.

Solutions de conception efficaces malgré la pénalité de conversion en deux étapes

L'efficacité globale du système dans une approche en 2 étapes dépend fortement de l'efficacité du convertisseur de bus. Afin d'éviter la pénalité courante de conversion de puissance en deux étapes, les concepteurs doivent choisir un IBC à haute efficacité, tel que l'EC2650QI qui offre une efficacité de conversion jusqu'à 94% en utilisant une topologie à condensateur commuté.

Par exemple :

Dans une approche de conversion directe en une étape, la conversion de 12 V en 3,3 V à 3 A pourrait être de 92 % à l'aide de l'Intel EN2340QI.

Figure 2. Courbe d'efficacité pour l'Intel Enpirion EN2340QI pour un Vin de 12V.

Dans une approche en 2 étapes, la conversion de 12 V en 6 V pourrait être de 94 % en utilisant l'Intel EC2650QI.

• Ensuite, la conversion de 6 V en 3,3 V à 3 A pourrait être de 95 % en utilisant l'Intel EN6340QI.
• Enfin, l'efficacité totale pour l'approche en 2 étapes serait :                                                                 .

Figure 3. La courbe d'efficacité de l'Intel Enpirion EC2650QI donne un Vin de 12V.

Figure 4. Courbe d'efficacité pour l'Intel Enpirion EN6340QI pour un Vin de 5V.

En comparant 92 % contre 89,3 %, nous voyons que l'IBC crée des pertes d'efficacité supplémentaires qui ne sont pas présentes dans une approche de conversion directe. Cependant, pour certains concepteurs ou applications de puissance, les économies d'espace réalisées peuvent l'emporter sur les compromis en termes d'efficacité.

Cette perte d'efficacité peut être encore atténuée par plusieurs choix de conception, tout en préservant les économies d'espace obtenues grâce à l'utilisation de l'IBC. Les concepteurs de puissance peuvent choisir de concevoir spécifiquement l'IBC sur des rails à faible courant, ce qui minimiserait la perte de puissance supplémentaire. Ils peuvent également choisir de sélectionner des convertisseurs plus gros, ce qui peut rendre la conception globale plus efficace. L'utilisation de l'IBC permet aux ingénieurs d'adapter leurs choix de conception pour trouver une architecture qui équilibre parfaitement leurs contraintes de taille, leurs exigences d'efficacité et leurs besoins en coûts.

Quand les concepteurs de systèmes doivent-ils choisir de concevoir avec IBA ?

En règle générale, les concepteurs d'énergie devraient envisager l'IBA lorsqu'ils ont des exigences strictes en matière de taille ou de coût de la solution, mais une certaine flexibilité en termes d'efficacité. En particulier, l'utilisation de cette approche en 2 étapes est souvent la plus avantageuse lors de la conversion de 3 rails ou plus, car les avantages d'une solution plus petite et à moindre coût deviennent de plus en plus évidents. Comme indiqué ci-dessus, une architecture IBC peut être mise à l'échelle et adaptée pour répondre à des exigences de conception spécifiques.

Par exemple, si nous utilisons Intel EN2342QI pour les quatre garde-corps suivants, l'efficacité estimée du système est d'environ 87 % avec une taille totale de la solution de 800 mm². Si nous utilisons l'IBC avec quatre convertisseurs POL plus petits, l'efficacité estimée du système est d'environ 84 % avec une taille de solution totale de 390 mm². L'approche en 2 étapes a une efficacité comparable tout en nécessitant moins de la moitié de l'espace PCB, une augmentation de 51% des économies d'espace ! Avec chaque garde-corps supplémentaire, il y a en moyenne 100 mm² d'économie d'espace et encore plus d'économies.

Figure 5. Exemples d'arbres de puissance pour une architecture IBC à 1 étage ou à 2 étages utilisant de petits POL

Tableau 3. Comparaison au niveau du système de l'efficacité totale et de la taille de la solution

1-Stage utilisant de grands POL	2 étapes utilisant de petits POL
Efficacité :~87 %	Efficacité :~84 %
Taille totale de la solution :800 mm²	Taille totale de la solution :390 mm²

Pour certains concepteurs, les économies drastiques d'espace et de coûts peuvent compenser la diminution de l'efficacité du système. Cependant, l'efficacité peut être encore ajustée et améliorée en remplaçant quelques petits convertisseurs POL par des plus grands, comme dans l'exemple suivant.

Figure 6. Exemples d'arbres de puissance pour une architecture IBC à 1 étage ou à 2 étages utilisant des POL petits et grands

Tableau 4. Comparaison au niveau du système de l'efficacité totale et de la taille de la solution

1-Stage utilisant de grands POL	2 étapes utilisant des POL petits et grands
Efficacité :~87 %	Efficacité :~85 %
Taille totale de la solution :800 mm²	Taille totale de la solution :590 mm²

Dans l'exemple ci-dessus, nous avons remplacé deux des petits convertisseurs EN6340QI POL par les convertisseurs EN6362QI plus grands et plus efficaces. Après cela, l'efficacité a augmenté à plus de 85 %, avec une taille de solution encore inférieure de 26 % par rapport à une approche DPA.

IBA fournit des outils de conception supplémentaires pour des solutions personnalisées

En résumé, IBA fournit un outil de conception supplémentaire et une opportunité unique aux ingénieurs de personnaliser une solution qui répond à leurs besoins spécifiques. L'intégration du convertisseur de bus intermédiaire permet aux concepteurs de puissance d'utiliser des modules qui nécessitent à la fois un processus de tension et une inductance plus faibles. Ces changements se traduisent directement par des tailles de solution totales plus petites.

Toute perte de puissance de l'étage supplémentaire peut être atténuée en utilisant un IBC à haute efficacité et en faisant des choix de conception spécifiques à l'application. Un tel exemple est l'Intel Enpirion EC2650QI, qui peut être mis en parallèle avec jusqu'à quatre appareils pour créer un bus de 144 W, chaque appareil ne nécessitant que 150 mm² en taille de solution totale.

Ressources supplémentaires

• Page d'informations d'Intel Enpirion
• Vidéo YouTube de présentation d'Intel Enpirion Power Solutions
• Page produit EC2650QI
• Vidéo Youtube de présentation d'Intel EC2650QI

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