ניהול מערכות הספק

מוצרים דיגיטליים לניהול מערכת הספק מזרזים התקנת מערכת, ממזערים עלות תפעולית, מאפשרים אנליטיקה לצורך חיזוי וניהול חכם של אנרגיה

אחד האתגרים ההנדסיים המרכזיים הוא צמצום צריכת ההספק על ידי הבנת השימוש המדויק בו, מהמערכות בהיקף הרחב ועד לרמת הלוח המפורטת; לדוגמא, מחוותשרתים גדולות ועד ליחידת ההספק על הלוח בכל מערכת המונחת על גבי מסד (rack mount). ניהול ההספק ומימוש הגמישות במעגל מודפס עם מסלולים רבים יכולים להיות קשים מאד ודורשים בדיקות הנדסיות עם תשומת לב רצופה וקפדנית בעזרת מדי מתח דיגיטליים ואוסילוסקופים, דבר שדורש לעיתים קרובות עבודה מחדש על רכיבי המעגל המודפס. בכדי לפשט משימות אלה של ניהול הספק, מתפתחת מגמה גוברת להגדיר ולנטר הספק על גבי ערוץ תקשורת דיגיטלי. במילים אחרות, מממשים את יכולת הטלמטריה להגדיר, לנטר, לשנות ולתעד את הפרמטרים של ההספק. לעיתים קרובות מכנים טכניקה זו בשם “הספק דיגיטלי” (Digital Power) או “ניהול מערכת הספק” (Power System Management). היא מאפשרת למתכנני מערכת לפשט ולהאיץ את האפיון והמיטוב של המערכת במהלך בניית אב הטיפוס (prototyping), ההתקנה וההפעלה בשטח.

ניהול דיגיטלי של מערכת ההספק
גישה לפרמטרים קריטיים של ההספק, ניטור ושינוי שלהם באמצעות ממשק ערוץ תקשורת דיגיטלי
מוצרי ניהול דיגיטלי של מערכת הספק (Digital Power System Management – ) מוגדרים ומנוטרים על ידי ממשק PMBus בעל שני חוטים, פרוטוקול ממשק דיגיטלי מבוסס I²C. הדבר מאפשר שילוב רציף עם מערכות משובצות קיימות ועם ארכיטקטורות קיימות, התקני BMC ופונקציות IPMI . למען הפשטות וקלות השימוש, בפרט בשלבים המוקדמים ביותר של פיתוח ובדיקת החומרה, משתמשים בממשק GUI שפועל על PC עבור תקשורת עם התקן ה-DPSM דרך לוח מתאם USB-to-PMBus. הדיאגרמה באיור 2 מראה דרך טיפוסית לשלוט ב-8 מייצבי מתח (Point of Load) עם DPSM. הוא כולל כמה מייצבי מתח POL, ערוץ תקשורת דיגיטלי והתקן מארח לצורך איסוף והעברת נתונים.
מוצרי DPSM יכולים לספק למשתמש נתונים קריטיים לגבי ההספק: ניתן לגשת לזרם העומס, לזרם הקלט, למתחי המוצא, לצריכת הספק המחשוב וליעילות, וכן לגשת לפרמטרים אחרים של ניהול הספק באמצעות ערוץ תקשורת דיגיטלי. הדבר מספק יכולת לפתח אנליטיקה לצורך חיזוי, למזער את העלות התפעולית, לשפר את האמינות ולקבל החלטות חכמות לגבי ניהול האנרגיה.

יתרונות ניהול מערכת ההספק
בקרה דינמית על הפרמטרים של ההספק מצמצמת את צריכת האנרגיה מתח ההספק המסורתי הוא קבוע ולא ניתן לשנות אותו בקלות במקום. לעומת זאת, אספקת מתח המנוהלת בצורה דיגיטלית, ניתנת להתאמה באמצעות ממשקים דיגיטליים תקניים בעלי שני חוטים, שחלקם מספקים רזולוציה טובה יותר מ-1mV. בעזרת מוצר DPSM, ניתן לבצע כוונון מדויק של ביצועי המערכת ולמזער את ההספק המבוזבז, דבר המאפשר יישום טכניקות כמו התאמה דינמית של רמת ההספק והתדר, אשר הוכח שהן מצמצמות את צריכת האנרגיה הכוללת של המערכת. תועלות ניהול מערכת ההספק טלמטריה וזיכרון בלתי נדיף על גבי הלוח מאפשרים ניטור מערכת רציף ומדויק, הגנה על נתונים ותיעוד נתונים בספקי כוח מסורתיים, חלק מהפונקציות המתוחכמות של ניטור המערכת מופרדות בדרך כלל ממייצב ה-DC/DC, דבר הדורש שבבים או מעגלים נוספים לצורך פיקוח. יתר על כן, ניתן לאתר כשלים בפונקציות המצויות על גבי הלוח, כגון , UV ו- (overcurrent), אבל לא כל הכשלים מדווחים לבקר המארח, לפחות לא בשיטה פשוטה ורציפה. במייצב המתח המנוהל בצורה דיגיטלית, פונקציות הניטור של ההספק הן מובנות וניתנות לתכנות. ניתן לשלב בקלות את תנאי הכשל עבור POL עם התקני POL אחרים, בכדי ליצור תגובה מותאמת במדויק למגוון של תנאי כשל. באמצעות התקן DPSM, ניתן לבצע קורלציה בין הכשלים שאותרו עם מדידות מדויקות של מתח, זרם וטמפרטורה. זיכרון בלתי נדיף (non volatile) פנימי יכול לאחסן את המידע השימושי עבור תיקון שגיאות וניתוח של סיבות שורש (root cause analysis). נושא מעניין אחר הוא החיבור הטורי המדויק של מסלולי המתח של המערכת, שלעיתים קרובות אינו ידוע עד אחרי ייצור הלוח, ואז ייתכן שיהיה צורך לשנות את שיעורי הגידול באספקת המתח (supply ramp). ניתן לבצע חיבור טורי והגדלה של אספקת המתח בספק כוח מסורתי, אבל הערכים יהיו סטטיים ומותאמים לשינוי ברמת הלוח. באמצעות מייצבי מתח המצוידים ביכולת DPSM, ניתן להגדיר בתוכנה פרמטרים של הספק. לא נדרשים שינויים ברמת הלוח או הרכיב. תיקונים בפרמטר של ההספק יכולים להתבצע בשלב התכנון, דבר המבטל את הצורך לאשר מחדש את המוצר ולעכב את ההשקה שלו.
אחד היתרונות הברורים הוא ביצוע מהיר יותר ופשוט יותר של תיקון שגיאות וטיפול בבעיות. בתכנון ספק כוח מסורתי הדבר נעשה באמצעות מכשירי מדידה ובדיקה חיצוניים שגורמים לקשיים במדידה. בספק כוח המנוהל בצורה דיגיטלית, החומרה של הבדיקה מובנית לתוך כל POL וניתן לקרוא את המדידות על גבי הממשק הדיגיטלי בממשק GUI. הדוגמא האחרונה היא בדיקת שוליים (margin testing). בדיקת שוליים היא הפרקטיקה של חריגה מהגבולות של אספקת הכוח בכדי לעורר את הביצועים עם התסריט הגרוע ביותר. בדיקת שוליים היא החלופה הקבילה היחידה לניתוח התסריטים הגרועים ביותר, שהוא יקר מאד וצורך זמן רב.
בנייה של בדיקת שוליים לתוך POL מסורתי מגדילה את המורכבות ואינה מדויקת, בשל הטולראנטים של הייצור. במוצר DPSM, בדיקת שוליים היא מובנית ומדויקת מאד. יתר על כן, מכיוון שכל POL יכול להיות עם רמות שוליים משלו (הן רמות גבוהות והן נמוכות), ניתן לתכנת על גבי הממשק הדיגיטלי תבניות מורכבות של רמות אספקת כוח. דבר זה מספק דרך מהירה וקלה להשיג ניתוח של התסריטים הגרועים ביותר של הביצועים ברמת המערכת.

קח פיקוד על ההספק שלך
מייצב מתח כפול מיקרו-מודול ב-13 אמפר עם DPSM
המשפחה החדשה שנוספה למשפחת מוצרי ה-DPSM, היא מוצר הספק מיקרו-מודול (µModule) עם PSM (ניהול מערכת הספק – Power System Management). מייצב מתח מיקרו-מודול כולל את המשרנים, התקני ה-MOSFET ומעגלי הפיצוי, אשר מוצגים בתחתית איור 1. ה-LTM4676 הוא מוצר המיקרו-מודול הראשון השייך למשפחה זו.
ל-LTM4676 יש תכונה נוספת מעבר ליכולתו להעביר הספק לנקודת עומס אחת או שתיים. הוא כולל גם אפשרות להגדרת תצורה ולניטור טלמטריה של הספק ושל פרמטרים לניהול הספק על גבי PMBus, פרוטוקול ממשק דיגיטלי תקני פתוח מבוסס I²C. הממשק הסריאלי בעל 2 החוטים של ה-LTM4676 מאפשר לקחת את הפלטים, להביא אותם לשוליים, לכוונן אותם ולשנות אותם כלפי מעלה או מטה בקצבי עקיבה במוצא (slew rates) מתכנתים עם תעדוף של זמני השהיה. ל-LTM4676 יש ממיר ADC מובנה ב-16 ביט וממשק מבוסס I²C המאפשר לך לקרוא את זרמי ומתחי הכניסה והמוצא, את הספק המוצא, הטמפרטורות וזמן הפעולה. ניתן גם לקרוא כמה ערכי שיא. מתח המוצא מיוצב בנקודת החישה לרמה טובה יותר מ- בתנאי טמפרטורה, קו ועומס. בדוק עם מפעל היצרן בכדי להשיג אפשרויות הדוקות עוד יותר.
ה-readback המוגדר עבור זרם המוצא הוא ±2.5% בעומס של 10 אמפר. רמת דיוק זו מאפשרת אפיון וניטור מצוינים של צריכת הספק בהתקני ASIC, FPGA ו-CPU/GPU. ניתן לשלב את ה-LTM4676 עם יכולת לכוונן במדויק ובמקום את מתח המוצר. יכולת זו פותחת את הדרך בפני מימוש של התאמה דינמית של המתח, הורדת עומסים ושיטות אחרות שמאפשרות למצות את המקסימום מהמערכת שלך, על פי מטרות ניהול ההספק שאתה מגדיר.
באמצעות ה-LTM4676, ניתן לממש ניטור דיגיטלי של כל המסלולים במערכת, ואף לעשות זאת בקלות. הניטור הדינמי מפיק תובנות מפורטות לגבי צריכת האנרגיה, דפוסי יצירת העומס ומגמות ארוכות טווח. נתונים אלה מספקים לנו הזדמנות לפתח אנליטיקה לצורך חיזוי ולקבל החלטות מושכלות לגבי תזמון פעולות של תחזוקה מונעת.
פונקציה של תיעוד הכשלים מאפשרת אחזור של נתונים שתועדו על ידי התקן ה-LTM4676 ברגעים שלפני אירוע של כיבוי המערכת. תכונה זו יכולה לצמצם בכמה שעות או בכמה ימים את זמן האבחון של בעיה במערכות של הקצה העליון. פתרון הבעיה יכול להיות פשוט, למשל על ידי שינוי של כמה הגדרות register על גבי מחשב PC. יתר על כן, ניתן ליישם ניטור בשטח ולבצע שדרוגים לספקי הכוח של המערכת.

סיכום
ה-LTM4676 הוא מייצב מתח מיקרו-מודול (µModule) הכולל טלמטריה דיגיטלית וניהול דיגיטלי של מערכת הספק. ההתקן מאפשר למתכנני מערכת לפשט ולהאיץ את האפיון והמיטוב של המערכת במהלך בניית אב הטיפוס, ההתקנה וההפעלה בשטח. ההתקן מאופיין בדיוק פרמטרי מעולה בכתיבה ובקריאה של פרמטרים של הספק. הוא ממוטב עבור שימוש במעגלים משולבים בעלי מתח נמוך מאד וצריכת הספק גבוהה, דוגמת התקני ASIC, FPGA ומעבדים. קח פיקוד על ההספק של המערכת שלך בעזרת ה-LTM4676.