Ara Bara Dönüştürücü:
PCB Alan Kısıtlamalarını Ortadan Kaldırın

Ara bara dönüştürücü mimarisi, güç tasarımcılarının PCB alan kısıtlamalarını ortadan kaldırmak ve daha geniş bir alan sağlamak için kullandıkları yeni ve gelişmekte olan bir yöntem. Daha detaylı bilgiler ve bazı çözüm örnekleri yazımızın devamında.

A- A+

05.09.2020 tarihli yazı 8482 kez okunmuştur.

PCB Bara Baskı Devre Prototip Tasarım Proteus ISIS ARES

Güç elektroniği alanı, 1902'de Peter Cooper Hewitt tarafından cıva arklı doğrultucunun icat edilmesiyle başlayan, köklü, üzerinde çok çalışılmış bir endüstri haline geldi. Cıva arklı doğrultucunun icadını 1926'da sıcak katot gaz tüpü doğrultucular, 1948'de transistörler, 1956'da p-n-p-n silikon transistörler, 1980'de IGBT ve daha pek çok şey izledi.

► İlginizi Çekebilir: Prototip PCB Tasarımı için 4 Adım

21. yüzyılda güç elektroniği temiz enerji, elektrikli araçlar ve sunucu uygulamaları alanlarında kullanılıyor ve gelişmeye devam ediyor. Güç elektroniği endüstrisinin hızlı bir şekilde büyümesi, güç tasarımcılarının daha küçük, daha uygun maliyetli ve yenilikçi çözümler bulmasını gerektiriyor. Yazımızın devamında bu çözümlerden biri olan ara bara dönüştürücüsü (Intermediate Bus Converter - IBC) yapısını inceleyeceğiz.

Dağıtılmış güç mimarisi (DPA), yük noktası (POL) tasarımları için bir endüstri standardı haline gelirken, ara bara mimarisini (IBA) kullanmak, tasarımcıların çözüm boyutunu küçültmesini ve düşük maliyetli POL dönüştürücüler kullanmasını sağlayan yeni ve gelişmekte olan bir yöntem. POL dönüştürücüler, yüke yakın, kademeli DC-DC dönüştürücülerdir, empedansı en aza indirir ve hassas bir voltaj kaynağı sağlar. POL dönüştürücülere güç sağlamak için IBA kullanmak, rekabetçi sistem verimliliğini korumasının yanı sıra daha düşük maliyetler ve daha küçük çözüm boyutları sağlar.

Şekil 1: Tek Aşamalı Geleneksel Dağıtılmış Güç Mimarisi İle 2 Aşamalı Ara Bara Mimarisi

Ara bara mimarisi kullanmanın dağıtılmış güç mimarisine göre avantajları, dönüştürülen güç raylarının sayısına bağlıdır. Daha fazla ray, daha fazla alan ve maliyet tasarrufu sağlar. Sistem verimliliği, kullanılan POL dönüştürücülere bağlı olarak rekabetçi kalabilir.

Şekil 2: IBC ve DPA Karşılaştırması

Yazımızın devamında Intel EC2650QI 12 ila 6 V Ara Bara Dönüştürücüsü ve Intel Enpirion PowerSoC'ler deney aşamasında kullanılacağı için alttaki tablodan veya videodan dönüştürücülerin özelliklerini inceleyebilirsiniz.

Şekil 3: Intel Enpirion EC2650QI 12 ila 6 V Ara Bara Dönüştürücü Özellikleri

Daha Az PCB Alanı Gerektiren Çok Aşamalı Güç Dönüştürme Yaklaşımı

Tek aşamalı bir yaklaşımda doğrudan 12 V'tan dönüştürme yapılırken, kullanılan sonraki 12 V DC-DC güç dönüştürücüleri, daha büyük girişe dayanmak için 20 V veya daha yüksek bir işlem teknolojisi gerektirir. Gerilim yükselmelerinden dolayı çalışma aralığı ile cihaz arızası arasında yeterli boşluğu oluşturmak için daha yüksek voltaj işlemi gereklidir. Voltaj işlemi ne kadar büyük olursa, cihaz o kadar büyük olur, çünkü içerideki transistörlerin boşaltımı, kaynağı ve kapısı arasında daha fazla alan gerekir.

2 aşamalı bir yaklaşımdan yararlanmak yani ilk önce 12 V'tan 6 V'a düşürerek, aşağı akışta daha düşük giriş POL modüllerine izin vermek bu dezavantajı ortadan kaldırır. Daha düşük giriş voltajı modülleri genellikle daha küçüktür ve rekabetçi bir şekilde fiyatlandırılır çünkü yalnızca 10 V işlem teknolojisi gerektirir.

Bu durum yüksek giriş voltajlarını işlemek için dahili devreye ihtiyaç duymadığı anlamına gelir. Ek olarak, daha yüksek giriş voltajlarından dönüştürme yapılırken, indüktör her anahtarlama döngüsü sırasında voltaj farkını idare edebilmelidir. Doğrudan 12 V'tan aşağı inerken, çıkış dalgalanmasını en aza indirmek için daha yüksek bir endüktans veya daha yüksek anahtarlama frekansı gerekir.

Genellikle, güç tasarımcıları daha yüksek bir endüktans uygulamayı seçerler çünkü daha yüksek anahtarlama frekansı genellikle daha fazla güç kaybı ve daha düşük verimlilik anlamına gelir. Yüksek endüktans, bir indüktörün manyetik çekirdeği etrafında daha fazla sarım oluşmasını sağlar ve bu da indüktörün fiziksel boyutunu artırır. Bunun yerine ara bara dönüştürücüsünü 12 V'tan 6 V'a düşürmek için kullanmak, tasarımcıların her bir POL'nin indüktörün fiziksel boyutunu artırmaya gerek kalmadan benzer dalgalanma elde etmelerine olanak tanır.

İki Aşamalı Dönüşümde Verimli Tasarım Çözümleri

2 aşamalı bir yaklaşımda genel sistem verimliliği, büyük ölçüde bara dönüştürücüsünün verimliliğine bağlıdır. Tasarımcılar iki aşamalı güç dönüştürme kaybından kaçınmak için, anahtarlamalı bir kapasitör topolojisi kullanmalı ve % 94'e varan dönüştürme verimliliği sağlayan EC2650QI gibi yüksek verimli bir ara bara dönüştürücüsü seçmelidir. Şekil 4’te gösterilen 1 aşamalı, doğrudan dönüştürme yaklaşımında, Intel EN2340QI kullanılarak 12 V'u 3 A'de 3,3 V'a dönüştürmek % 92’ye varan dönüştürme verimliliği sağlıyor.

Şekil 4: Intel Enpirion EN2340QI İçin Verimlilik Eğrisi

Şekil 5’te ise 2 aşamalı bir yaklaşımda, Intel EC2650QI kullanılarak 12 V'u 6 V'a dönüştürmenin % 94’ye varan dönüştürme verimliliğinin sağlandığını görebiliyoruz. Şekil 6’da ise Intel EN6340QI kullanılarak 6 V'u 3 A'de 3,3 V'a dönüştürmenin % 95’e varan dönüştürme verimliliği sağladığını görüyoruz. Sonuç olarak 2 aşamalı yaklaşım için toplam verimlilik: 0,94 x 0,95 = % 89,3 oluyor.

Şekil 5: Intel Enpirion EC2650QI İçin Verimlilik Eğrisi.

Şekil 6: Intel Enpirion EN6340QI İçin Verimlilik Eğrisi.

İlk bakışta 1 aşamalı dönüşümün, 2 aşamalı dönüşüme göre daha verimli olduğunu ve ara bara dönüştürücüsünün tek aşamalı dönüşüm yaklaşımında bulunmayan bazı verimlilik kayıpları yarattığını görüyoruz. Ancak bazı güç tasarımcıları veya uygulamaları için, kazanılan alan tasarrufu, verimlilikteki kayıplardan daha önemli olabiliyor.

Ayrıca yaşanılan kayıp, birkaç tasarım seçeneği ile daha da azaltılabiliyor. Örneğin güç tasarımcıları, ara bara dönüştürücüsünü düşük akım rayları üzerinde özel olarak tasarlamayı seçerek kaybedilen ek Watt miktarını en aza indirebilir. Genel tasarımı daha verimli hale getirebilecek daha büyük dönüştürücüler kullanmayı da seçebilirler. Ara bara dönüştürücüsünü kullanmak, mühendislerin boyut kısıtlamalarını, verimlilik gereksinimlerini ve maliyet ihtiyaçlarını mükemmel şekilde dengeleyen bir mimari bulmak için tasarım seçimlerini ölçeklendirmelerini sağlar.

Ne Zaman Ara Bara Dönüştürücü Tercih Edilmeli?

Genel olarak, güç tasarımcıları zorlayıcı çözüm boyutu veya maliyet gereksinimleri olduğunda ve verimlilikte biraz esnekliğe sahip olduklarında ara bara dönüştürücü mimarisini dikkate almalıdır. Bu 2 aşamalı yaklaşımı genellikle 3 veya daha fazla rayı dönüştürürken kullanmak en uygun kullanım örneklerindendir. Bir ara bara dönüştürücü mimarisi, belirli tasarım gereksinimlerini karşılamak için ölçeklenebilir ve uyarlanabilir.

Örneğin, Intel EN2342QI'yi aşağıdaki dört ray için kullanırsak, tahmini sistem verimliliği yaklaşık % 87'dir ve toplam çözüm boyutu 800 mm²'dir. Ara bara dönüştürücüsünü dört küçük POL dönüştürücüyle kullanırsak, tahmini sistem verimliliği % 84, toplam çözüm boyutu ise 390 mm²’dir. 2 aşamalı yaklaşım, Her ilave ray ile ortalama 100 mm² alan tasarrufu ve daha fazla maliyet tasarrufu sağlanır.

Şekil 7: Küçük POL'lar Kullanıldığı 1 Aşamalı ve 2 Aşamalı Ara Bara Dönüştürücü Mimarisi İçin Örnek Güç Ağaçları

Şekil 8: Toplam Verimlilik ve Çözüm Büyüklüğünün Sistem Düzeyinde Karşılaştırması

Bazı tasarımcılar için, büyük alan ve maliyet tasarrufu, sistem verimliliğindeki azalmayı telafi edebilir. Bununla birlikte, şekil 9’da olduğu gibi, bazı küçük POL dönüştürücüler daha büyük olanlar ile değiştirilerek verimlilik daha da geliştirilebilir.

Özetle, ara bara dönüştürücü mimarisi mühendislere kendi özel ihtiyaçlarını karşılayan bir çözümü özelleştirmeleri için ek bir tasarım aracı ve benzersiz bir fırsat sağlar. Ara bara dönüştürücüsünün tercih edilmesi, güç tasarımcılarının hem daha düşük voltaj işlemi hem de endüktans gerektiren modülleri kullanmasına olanak tanır.

Kaynak:

► allaboutcircuits.com
► intel.com