חידושים במארז חיוניים להמרת הספק ושיפור הביצועים

דואוג פינג, Vicor

מארז מעגלי ההספק האלקטרוניים התפתח מכיפוף מתכות פשוט לתכנון תרמו-מכאני ותכנון חומרים מתקדם, ומאספקה בלתי תלויה לניהול הספק משולב. הקטנת גודל המערכת התאפשרה הודות לתדירויות מיתוג גבוהות יותר, ומזעור המוליכים למחצה הוביל את תחילתה של המגמה הזאת. השיפורים המשמעותיים שהתרחשו לאחרונה היו תלויים גם בהתקדמות התכנון התרמו-מכאני, במיוחד בכל הקשור ברכיבי בקרת הספק.

רחוק מעבר לקופסה
העשורים האחרונים היו עדים להתקדמות אגרסיבית במזעור המוליכים למחצה. במהלך 30 השנים שבין 1982 ל-2012, תהליכים מסחריים לייצור לוגיקת CMOS אפשרו הקטנת גודל הצומת מ-1.5μm
ל-22 nm (תמונה 1). כתוצאה מכך הצפיפות התפקודית עלתה ביותר מ-4600 :1 , דבר שגרם לשינוי בתכנון הרכיב האלקטרוני, לא רק בתוך ליבות חישוב או תת מערכות זיכרון, אלא גם במוצר עצמו.
בתחילתה של תקופה זאת, רכיבים אלקטרוניים טיפוסיים סיפקו צפיפות תפקודית נמוכה תוך דרישות הספק צנועות. תכנון מקורות ההספק התבסס על רכיבים בדידים ושיטות קירור פחות מאופטימאליות. למרות שנצילות ההספק הייתה ירודה לפי המושגים של היום, היא נחשבה למספיקה בשל דרישות ההספק הנמוכות של הרכיבים והממדים הגדולים של האריזות.
בין הדוגמאות הידועות ביותר לתכנון זה, שנמצאות עדיין בשימוש, ניתן להזכיר את “קופסאות הכסף” המספקות מתח למחשבים השולחנים – לדוגמה 400W ATX12V הוא בעל תכנון דיסקרטי במיוחד (תמונה 2). צלעות קירור מקררות את ה-MOSFET-ים ואת מיישרי זרם המוצא אבל התכנון התרמי הכללי יוצר מפלי חום גדולים שהם בעיתיים בטמפרטורת סביבה גבוהה. עם נצילות טיפוסית של – 80%,
form factor של 13886140 הספק נותן צפיפות הספק של 0.24W/cm3 בלבד. ספקי כוח ATX העומדים בקריטריון הפלטינה 80+ מסוגלים להכפיל כמעט את הערך הזה ל-0.42W/cm3, אבל עדיין אינם מספקים צפיפות הספק נדרשת ואינם פרקטיים עבור מרבית יישומי Data Centers
Central Office &.
התקדמות מזעור המוליכים למחצה דרשה שינויים בארכיטקטורת תת המערכות.
IC-ים מיוצרים בתהליכי צומת קטנים יותר דורשים מתחי עבודה נמוכים יותר וגם טולרנס קטן יותר במתחי היציאה. צפיפות תפקודית גבוהה מגדילה את עוצמת זרמי הספקה ותכנון מקורות מבוזר מגביר באופן דרמטי את העמסת הזרם הדינמית.
תחת תנאיי העומס הללו, תכנון אשר יוצר הפרדה בין מקורות ההספק לעומסים שלהם באמצעות מוליכי נחושת ארוכים אינו מסוגל לספק את הביצועים הנדרשים על ידי IC בעלי גיאומטריה ממוזערת.

דק כמו לבנה (Brick)
מספר קונפיגורציות חלופיות קמו בניסיון ליצור אופטימיזציה של תת-מערכות הספק עבור סידורים פיזיים שונים של עומסים. לדוגמה, יישומים שעובדים זמן רב ללא תקלה, כגון כרטסי קווי תקשורת, החליפו ספקים גדולים, לא נצילים, מרובי יציאות ובעלי ארכיטקטורת הספק מבוזרת. תכנון זה התחיל עם ממירי -AC חד מוצאים מגובים כדי להבטיח כי אמינות המתח המבוזר, בדרך כלל 48, עומדת בדרישות זמן הפעילות של המערכת. כרטיסי קו משתמשים בדרך כלל בממירי Brick על לוח האם, ולידם מספר מממירי POL לא מבודדים עבור מקורות הספק בדידים.
תת מערכות בדידות המקוררות על ידי אויר מאולץ, יוצרות זרימת אוויר מערבולית אשר עלולה לגרום להצללות תרמיות ולנקודות חמות. ממירי Brick סגורים משתמשים במכלולים יצוקים כדי ליצור התקנים איזותרמיים במהותם. בתוך מכלול סגור, התקני הספק מוצמדים תרמית ללוח קירור עשוי אלומיניום אשר מספק משטח קירור. הקירור יכול להתבצע באמצעות הולכה, קירור אויר או שילוב של השנים.
משטח לוח הקירור מספק שטח מגע גדול לחיבור צלעות קירור. תכנון תרמו-מכאני זה מאפשר הספק מוצא מרבי של 600 מתוך מארז של 117X55.9X26 מ”מ וצלעות קירור של 12.7 מ”מ (כולל) לצפיפות הספק של 3.5W/cm3 – שיפור של פי עשר בהשוואה לתכנון closed frame של “קופסאות הכסף”.
ככל שהצפיפות התפקודים של המוצר הלכה וגדלה, ה-form factor של ה-Brick – הוביל במהרה לגרסאות קטנות יותר -חצי, רבע, ושמינית Brick – בעוד שהדורות הבאים סיפקו יכולות הספק הולכות וגדלות. שטחי הקירור המצטמצמים של חלקי ה-Brick – היוו אתגר תרמי לתכנון מערכות בעלות צפיפות תפקודית וצפיפות הספק משופרות. (תמונה 3). אתגר זה הועצם ביישומים בהם טמפרטורת הסביבה המוגדרת עלתה, כדוגמת חוות שרתים ורכזי תקשורת.

הרוב אוהבים אותו קריר
באותה העת, הצפיפות התפקודית של מרבית היישומים האלקטרוניים הפכה את התכנון התרמי לחלק חשוב בפיתוח המוצר החדש. הדרישות העכשוויות הדינאמיקה העכשווית שאפיינו את מרבית המוצרים דרשו אינטגרציה של מערכת ניהול ההספק בתוך התכנון התפקודי – שינוי מהותי בהשוואה למסורת שהתייחסה לתת מערכות כאל אובייקטים עצמאיים.
יחד עם עומסים חשמליים – מפזרי חום – ורכיבי ניהול הספק (מפזרים 1-η) ממוקמים על כרטיסי המערכת, האתגרים התרמיים גדלים עם עליית טמפרטורת העבודה: חום רב מדי מקטין את אמינות הרכיבים האלקטרוניים. בנוסף לכך, המתכננים חייבים להוריד את ביצועי רכיבי ההספק אשר פועלים בטמפרטורות גבוהות, כך שללא שיטות יעילות לסילוק החום, נוצר תכנון יתר הגורם למערכות גדולות, כבדות ויקרות יותר.
לכן, למרות שטכנולוגיות זיווד
ה-Bricks – היוו התקדמות משמעותית, וה-form factor של ה-Brick – היה עדיין משמעותי במושגי פשטות, התעשייה דרשה התקני ניהול הספק צפופים יותר, מעבר למה שניתן היה להשיג באמצעות קירור חד צדדי פשוט.
דוגמה אחת של זיווד מתקדם המשפר את תהליך ההספק ואת ביצועי האספקה הוא ממיר מזווד תוך שימוש בטכנולוגיית Converter housed in Package () של Vicor. התקנים מבוססים ChiP מנצלים את התצורה הסימטריות וממקמים התקני פיזור משני צדי ה-PCB המרכזי. חומר מוליך חום של המארז מעביר חום חן למשטח העליון והן התחתון, ומכפיל בכך למעשה את שטח הקירור בהשוואה לפתרונות המתבססים על שטח הבסיס של ה-PCB. (תמונה 4). בעזרת תכנון מערכת PCB מתאים, חום נוסף יכול לעבור גם דרך המגעים החשמליים.
שילוב של נצילות גבוהה – עד 97.5% עבור ממירים bus 380 ל-12 – ותכנון תרמי סימטרי המבוסס חומרים מתקדמים ניתן להגיע ל-1.5 קילוואט. בשילוב צלעות קירור ומאוורר, מערכת של
40X40X100 מ”מ יכולה לספק צפיפות הספק של 9.4W/cm3 (תמונה 5).
טכנולוגיות זיווד מתקדמות כמו זאת המספקת ניהול תרמי תלת ממדי בתכנון לוח אם מבוסס הרכבת SMT או הרכבת TH. מגנטיקה משולבת מאפשרת תכנון הדורש מעט רכיבים חיצוניים, דבר החוסך זמן התכנון, שטח מעגל, PCB ועלויות הרכבה.
החומר היצוק מאפשר העברת חום יעילה ומספק בידוד בטיחותי העומד בדרישות ניהול הספק, מתח גבוה, ותקני בטיחות בינלאומיים. הדבר מאפשר ליישם את אותה טכנולוגיית זיווד במגוון רחב של פונקציות ניהול הספק. הן כוללות המרת -AC יחד עם תיקון גורם הספק; המרת bus עם בידוד, המרת DC-DC, ויסות boost, buck, buck-boost והכפלת זרם ה- POL. טכנולוגיית מארז אחד, ישימה עבור כל מגוון משימות ניהול ההספק מכניסת המתח ועד ל-POL, יכולה לפשט גם את התכנון התרמו-מכאני של המערכת על ידי יצירת אחידות בפרופילים של ההתקנים ובמאפייניהם התרמיים.
היכולות ואפשרויות בניה מדורגת נבדלים אצל יצרני רכיבי הספק שונים, על כן מומלץ לבדוק היטב את הצעות הספקים. במקרה של רכיבי Vicor מבוססי ChiP, ההתקנים יכולים להתאים לפרופילים בעלי עובי של עד 4.7 מ”מ ו-Footprint בין 6X23 מ”מ עד 61X23 מ”מ ומעלה. היכולות הנוכחיות מגיעות ל-180 ומתח עבודה של 430 ומעלה. החברה הוכיחה יכולות אספקת מתח עד 1.5 קילוואט במארזים עשויים בטכנולוגיית זאת, וערך זה אמור אף לגדול בעתיד.
ביישומי הספק ברמה נמוכה יותר, כגון ממירי POL, אריזות בעלות Footprint קטן וגובה נמוך מאפשרות למתכננים גמישות נוספת כדי להקטין את אורך המוליכים מממיר המתח עד לעומס. כאשר מספקים הספק לצרכנים דיגיטליים המאופיינים על ידי זרמים דינמיים גבוהים, כגון מעבדים, ASIC-ים או תת מערכות זיכרון, מקורות הזנה המתאפיינים בהפסדים והשראות נמוכים מבטיחים ויסות טוב ותגובת transient מהירה הנמדדת בצד העומס, שם הדבר חשוב.
סוג זה של טכנולוגיית זיווד תומך גם בממירים בעלי יחס-מתח גבוה, אשר ביישומים מסוימים יכול לאפשר למתכננים לבטל שלב המרה שלם, ובכך להוריד את עלות המערכת, להעלות את נצילות התפעול הכוללת ולהגדיל את האמינות.

הכותב הינו מהנדס אפליקציות ראשי בחברת Vicor
הכתבה נמסרה באדיבות חברת מגוון טכנולוגיות