Patrick Le Fèvre, Ericsson Power Modules
מכיוון שמגוון היישומים התעשייתיים הוא רב מאוד – החל בחיישנים קטנים מאוד הניזונים מאיסוף אנרגיה ועד מעבדי ענק המשמשים לבקרת תהליכים וליכולות מחשוב נתונים עצומות, הדרושות לחלק מהציוד התעשייתי – האתגר שניצב בפני מתכנני הספקים הינו בחירת ארכיטקטורת ההספק היעילה ביותר למגוון רחב של יישומים.
שלא כמו תעשיית טכנולוגיות המידע והתקשורת (ICT), שבה לוחות משלבים לעתים קרובות מעבדים רבים, ושבה האפשרות של 3 קילוואט ללוח (ראה Towards the 3kW Board) הולכת ומתקרבת, מאוד נפוץ ביישומים תעשייתיים לתכנן פונקציות מחשוב משובצות ייעודיות לפלטפורמות כגון MicroTCA או דומות עם לוחות ייעודיים לפונקציות ספציפיות. השימוש בכרטיסים אלה מקל על מנהל אתר לבצע שדרוגים או תיקונים ללא צורך להחליף את המערכת כולה. התוצאה הישירה של סוג ארכיטקטורה זה היא שלמתכנני הספקים יש אפשרות להתאים אישית פתרונות הספק ללוח לפונקציות ספציפיות, וליישם במהירות טכנולוגיות חדשות כגון ניהול ובקרת אנרגיה דינמיים בעת שדרוג בקרי מערכת או לוחות עיבוד נתונים מבלי שצריך להמתין לרענון מלא של המערכת.
יישומים תעשייתיים משתמשים במודולי הספק אנלוגיים מזה עשורים, למרות שעם הדרישה הגוברת לנצילות אנרגיה גבוהה יותר ולבקרת אנרגיה הדוקה יותר, בשנת 2008 כבר החל המגזר התעשייתי להשתמש בממירי DC/DC ובווסתי POL (נקודת עומס) מבודדים עם PMBus. היישום התעשייתי הראשון התמקד במגזר מערכות ה-MicroTCA (ראה איור 1), שבו מודולי הספק דיגיטליים DC/DC משובצים מבוססי PMBus פישטו את הניטור
והבקרה של יחידת הכוח. בנוסף, החלו לאכלס לוחות עזר עם נקודות עומס עם PMBus, שבו נעשה בתחילה שימוש לצורכי ניטור, כגון טמפרטורה מקומית, תנאי הספק מוצא ותכונות רבות אחרות. אך במהרה, מתכנני מערכות החלו להשתמש ביתרונות הביצועים המלאים שסיפק ה-PMBus.
כפי שקרה בתעשיית ה-ICT עם השימוש ההולך וגובר במעגלי ASIC מורכבים יותר, מעגלי FPGA ומעבדים אחרים, עד שנת 2012 כבר התמודדו מתכנני ההספק ללוחות תעשייתיים גם עם מצב זה, ונאלצו לתכנן פתרונות הספק גמישים, שיוכלו להתאים לפרופילים ספציפיים, לא רק בשלב התכנון אלא גם כשהמערכת כבר הותקנה ופעלה.
עבור מתכננים רבים הרגילים לחלוקת הספק קונבנציונלית, כשנדרשו לתכנן פתרון הספק המבוסס על חומרה מורכבת יחסית המשלבת נקודות עומס אנלוגיות או אנלוגיות-היברידיות ורכיבים קבועים כמו שעונים חיצוניים ומעגלים משולבים מרובי-שערים לסנכרון (ראה איור 2), הם הבינו במהרה שרמת הגמישות הדרושים ביישומים חדשים הפכה את התהליכים הקונבנציונליים למורכבים בהרבה מאלה של ארכיטקטורות פשוטות יותר.
בנוסף, הגדרת הספק הדורשת שינויים בחומרה כדי להתאים פרמטרים כגון יצירת רצפים או פריסת פאזות תשפיע על זמן היציאה לשוק, הקריטי ביישומים רבים. זו הפכה לשאלה כיצד להפוך בצורה הטובה ביותר ארכיטקטורות הספק מורכבות לפשוטות, יעילות ואמינות?
פשטות במורכבות
כדי להשיג זאת נדרשו מתכנני הספק של לוחות לחקור דרכי עבודה שונות ולשקול טכנולוגיות חדשות, כגון ספק כוח דיגיטלי עם תכונות מובנות. נקודות העומס הדיגיטליות העדכניות ביותר (איור 3) עם תכונות משובצות מאפשרות להפעיל כל מודול בהגדרת הספק מורכבת מאוד מבלי להוסיף מעגלים חיצוניים (איור 4 מראה את רמת הפשטות שמציע הספק דיגיטלי).
ביישומים תעשייתיים, מחשוב משובץ זוכה ליותר עוצמת עיבוד, ומשתמש לעתים קרובות במעגלי ASIC מורכבים עם ליבות מרובות או מעגלים משולבים מרובעי-ליבות עם מודולים מרובי שבבים. בהתחשב בכך שסוגי יישומים אלה דורשים בממוצע 70 אמפר לכל ערוץ, לוח המחשוב המשובץ עשוי לצרוך עד 300 אמפר בזמן פעולה במלוא הביצועים החישוביים. איור 5 מראה את סוג היישום הזה – ולמרות הגדרת ההספק הדורשת מספר תכונות, שיתוארו בשלב מאוחר יותר – קל לראות שדרושים בפועל רכיבים ספורים מאוד הקשורים להגדרת ההספק כדי להפעיל ביעילות יישום תובעני שכזה. בעוד שהדבר מדגים את פשטות התוכנה הדרושה, היתרונות הגדולים ביותר טמונים בפשטות של ‘תזמור’ רצפי ההספק השונים לצורך שיפור נצילות האנרגיה והפחתת האדווה והרעש, תוך שמירה על רמת גמישות גבוהה מאוד, כגון היכולת לשנות כל פרמטר ובכל עת, ללא שינויים בחומרה.
שקט וגמישות במיתוג זרם גבוה
ב-300 אמפר, לרעש הנובע משלב המיתוג יכולה להיות השפעה דרמטית על הביצועים. במחשבים רגילים, מודולים מייצבי מתח (VRM) נבנים על גבי טופולוגיות מרובות שלבים; אך במקרה של היישום המוצג באיור 5, בעוד שהוא גם מאפשר את הפסדי ההספק הנמוכים ביותר ואת היעילות הגבוהה ביותר, יש להפעיל כל ליבה באמצעות זוג ייעודי של מודולי 40 אמפר המחוברים במקביל. פריסת פאזה מיושמת כדי לצמצם רעש ודרך שימוש בשזירה, ארבעת זוגות המודולים מתמתגים עם הרמה הנמוכה ביותר של אדווה האפשרית בטכנולוגיה זו.
כפי שהוזכר קודם, שימוש בארכיטקטורות הספק קונבנציונליות ליישום הקבלה עם פריסת פאזות דורש חומרה משמעותית (כמו באיור 2). אולם ניתן להשיג זאת באמצעות תוכנה, כגון כלי Ericsson Power Designer, כדי להדמות בזמן אמת את אפקט פריסת הפאזות על האדווה ועל הרעש.
הדרך הפשוטה ביותר לפריסת פאזות היא לאפשר למוצרים לפעול בנפרד מהשעון שנוצר פנימית. הדבר גורם לאקראיות בהופעת הקצוות של תדירות המיתוג, וכך מצמצם את הסיכויים לזרמי שיא גבוהים ממקור הכניסה. אולם שיטה זו גם מניבה תוצאות שלא ניתן לחזור עליהן. דרך מבוקרת ויעילה יותר של פריסת פאזות כרוכה בחלוקת קצות הפאזה של כל מוצר בקבוצה, על ידי הפעלתם משעון מיתוג משותף. ניתן להשתמש במקור שעון יחיד לכל המוצרים, ובכל מוצר הפאזה מוגדרת לערך שונה לכל משך המחזור של השעון.
היסט פאזה והגדרת היסט
בהנחה שווסת ה-POL מסופק ממקור כניסה משותף, כל ממיר מיוצג באמצעות פאזה בעלת גודל ומשך זמן מסוימים בפרק הזמן של המיתוג, כפי שמודגם באיור 6. הגודל של הפאזה הוא הזרם שנלקח מהספק הכניסה, השווה בערך לזרם היציאה של ה-Rail, שבתורו תלוי במתח היציאה ובנצילות בפועל של הממיר. כדי להשיג פריסת פאזות, כל פאזה זקוקה להיסט. היסט הפאזה מוגדר כזמן מקצה אות הסנכרון ועד להתחלת משך הפאזה.
עבור מסילות ללא שיתוף זרם, היסט הפאזה מוגדר על ידי הפקודה INTERLEAVE באמצעות הערך ‘מספר בקבוצה’
(1-16), ביחד עם ערך ‘סדר שזירה’ (0-15). ניתן לבטא את ההיסט במעלות או בזמן, בהתאם לנוסחאות שלהלן, שבהן TSW = 1/FSW היא פרק הזמן של המיתוג.
דוגמה
כדי להדגים כמה פשוט זה יכול להיות, חשבו על תצורה המבוססת על שלוש מסילות המאוכלסות בנקודות עומס דיגיטליות מסוג דיגיטליות מסוג (3E digital POLs),המספקות מתח ליבה ומתג עזר למעבד. באמצעות ביצוע הנוסחאות ושימוש בערכים המוצגים בטבלה 1, ניתן לחשב את היסטי הפאזה האידיאליים.באמצעות שימוש בגלגל קביעת היסט הפאזה (איור 7), אלה היסטי הפאזה בפועל שניתן להזין ל-Ericsson Power Designer.
כברירת מחדל, הסחת הפאזה מוגדרת לאפס, והתוצאה היא שכל המסילות (Rails) יצרכו זרם בו-זמנית, ובכך יגרמו לרעש ולזרם כניסה לא אחיד. כדי לשנות זאת, ניתן להשיג פריסת פאזות באמצעות הגדרת היסטים ספציפיים של פאזות לכל מסילה. היסט הפאזה לכל מסילה מצוין בעמודה השמאלית של הטבלה באיור 8, וגם מוצג באופן גרפי על פי מיקום הגוש הצבוע. כדי לשנות את היסט הפאזה של מסילה, מתכנני ההספק צריכים רק ללחוץ לחיצה שמאלית ולגרור את הגוש הצבוע המתאים למיקום היסט הפאזה הרצוי. בדוגמה זו, היסטי הפאזה מחולקים באופן שווה לאורך פרק הזמן, ב-0°, 112.5° ו-247.5°.
אפשרות מעניינת נוספת שמציעים כלי ההספק הדיגיטלי וההדמיה היא הדמיה של זרם הכניסה ואדוות המתח עם האופטימיזציה של פריסת פאזות (איור 9), מה שמאפשר להפחית את כמות הסינון.
מחוון אדוות זרם כניסה מספק ערך RMS משוער של אדוות זרם הכניסה הכוללת של המסילות, וכן גרף המציג את השתנות זרם הכניסה הכולל לאורך פרק הזמן של המיתוג. היעד הוא ערך RMS מצומצם, מה שאומר זרם כניסה ‘חלק’. מחוון אדוות מתח הכניסה מספק ערך רגיל של שיא לשיא של אדוות מתח הכניסה הכוללת של המסילות, בנוסף לגרף המציג את השתנות מתח הכניסה לאורך פרק הזמן של המיתוג. ערך השיא לשיא הרגיל יהיה 1 במקרה שבו לכל הפאזות יש היסט פאזה אפס. ככל שימשיכו להתרחש היסטים, ערך השיא לשיא יקטן. היעד הוא ערך שיא לשיא מצומצם.
אופטימיזציה של פריסת פאזות
בפני מתכנני הספקים ניצבות שתי אפשרויות: אופטימיזציה ידנית או אוטומטית. במקרה של מערכת פשוטה ללא שיתוף זרם, רוב מתכנני ההספקים ישתמשו, ככל הנראה, באופטימיזציה ידנית, שעוקבת אחר הרצף שתואר לעיל (לחץ לחיצה שמאלית וגרור את הפאזות להיסטים הרצויים), והדמה את התוצאה עם הכוונון.
במערכות מורכבות יותר עם מסילות בעלות זרם משותף או כמות גדולה יותר של מסילות, עשוי להיות קשה למצוא היסטי פאזה אופטימליים באופן ידני. באמצעות לחיצה בודדת על לחצן ‘Optimize’,
ה-Ericsson Power Designer תמצא באופן אוטומטי תצורה אופטימלית של היסטי פאזה. כשמנסים זאת בדוגמה, ניתן להשיג פריסה עם אותו ערך RMS של זרם כניסה כמו באופטימיזציה הידנית, אך עם אדוות מתח נמוכה יותר בכניסה משיא לשיא (איור 10). הפרש ההיסט המוגבר בין מסילות הזרם הגבוה יותר 1.0 וולט ו-1.8 וולט משפיע על צורת הגל של מתח הכניסה, כך שהערך הנורמלי משיא לשיא יורד מ-0.5 ל-0.4.
קיצור זמן הגעה של המוצר התעשייתי לשוק
הדוגמה המוצגת לעיל מדגימה בבירור את היתרונות שיכול לספק ספק כוח דיגיטלי כשמשתמשים בו ביישומים תעשייתיים, כגון עיצוב פשוט יותר וזמן קצר יותר של יציאה לשוק. יתר על כן, ביישומים תובעניים כמו זה שמוצג באיור 5, שימוש בידע ובמומחיות בתחום ויישום ספקי כוח דיגיטליים באופן אופטימלי יכול להפחית עד פי 5 את זמן היציאה לשוק.
המאמר נכתב ע”י:
Patrick Le Fèvre,
Marketing and Communication Director, Ericsson Power Modules
המאמר תורגם והתפרסם באדיבות חברת בית דקל (BDL), המפיצה הבלעדית של אריקסון בתחום ספקי הכוח בישראל. לפרטים נוספים בקרו באתר החברה.
