הגישה בתיכנון עם בלוקי הספק (POWER BLOCKS) מאוד אידאלית כיום באפליקציות זוללי הספק שמשתמשים ב-FPGA ,ASIC, מחשוב וארכיטקטורת IBA. בלוק הספק הוא בהכרח ממיר BUCK לא מבודד ללא בקר PWM – הוא מכיל POWER FET, מעגל GATE DRIVE, קבלי כניסה ויציאה, סליל, חיישן טמפרטורה ורשת של חיישני זרם. כדי להשלים את הממיר (POINT OF LOAD ׁ-POL) יש להוסיף בקר PWM, דוחף מתח ל-GATE ומספר קבלי כניסה ומוצא.
בישומים שבהם יש POL ומייצבי VRM יש מספר יתרונות לבלוקי הספק ביחס לפתרונות דיסקרטיים ורכיבי POL.
ביחס לפתרונות דיסקרטיים, בלוקי הספק יכולים להקל על תיכנון מערכות הספק. רכיב מוכן יכול להקטין זמן תיכנון ומחיר, אתגרי עריכה, שיקולי חום וביצועי EMI כבר נפתרים באריזת בלוק ההספק. בלוקי הספק מתוכננים ומיוצרים לעמוד בסטנדרטים המחמירים של תעשיית המיחשוב והתקשורת. בלוקי הספק בנויים כדי לעמוד בסטנדרט IPC-9592B שזה סטנדרט המראה על אמינות המוצר ועמידה בדרישות תנאי סביבה ומכניקה.
איור 1. בקר PWM לשני מופעים בשימוש עם ספק כוח יצוק של 45 אמפר תופס פחות מ-665 ממ”ר של שטח המעגל. הצבת הרכיבים בחלק העליון של המעגל המודפס של היישום מוצגת משמאל, ההצבה בחלק התחתון מוצגת בצד ימין
אחד היתרונות של בלוקי ההספק בהשוואה למודול POL שלם, הוא בגמישות. אפשר להשתמש בבקרים שונים עם אותו בלוק הספק, באופן שיאפשר למצוא את האיזון האופטימלי בין עלויות, גודל, תכונות (כגון ממשק PMBus) וביצועים. אפשר להשתמש בבקר אנלוגי או ספרתי ולקבל טווח רחב של תכונות וביצועים. אפשר לבחור את תדר הפעולה או אפשר לסנכרן את הממיר למקורות קיימים של אות שעון, אם כך יידרש. בלוקי ההספק מגיעים גם לנצילות גבוהה יותר מזו שאליה מגיעים פתרונות מסוג מעגלים משולבים מונוליטיים בעלי פרופיל נמוך, שחייבים לפעול בתדירויות גבוהות יותר (על חשבון הנצילות) כדי שיהיו בגודל קטן.
צפיפות ההספק
אמנם קשה להאמין, אבל בלוקי הספק גם יכולים לחסוך מקום במעגל המודפס, בהשוואה לתכנונים עם רכיבים בדידים או עם מודולי POL משולבים. במארזים של ספקי כוח יצוקים שעברו אופטימיזציה, סלילים מוצבים מעל המעגל המודפס, כאשר טרנזיסטורי FET ומעגל הדחיפה מורכבים מתחתיו. המארז כולו של ספקי הכוח היצוקים תופס שטח מעגל שאינו גדול מהסלילים עצמם. מאחר שמעגל הבקרה משתמש רק ברכיבים בעלי פרופיל נמוך, אפשר להציב אותו בחלקו התחתון של המעגל המודפס, על מנת לחסוך אפילו מקום רב יותר. התוצאה היא הצבת רכיבים קומפקטית מאוד, עם הספק גבוה יותר וצפיפות זרם גבוהה יותר, גם מהמודולים המשולבים וגם מהפתרונות הדיסקרטיים.
איור 1 מציג מעגל לדוגמה של אחד מבין שני בקרי PWM הספרתיים לשני מופעים (פאזות) אשר משמשים בבדיקות הכשירות (qualification) של בלוקי הספק של 45 אמפר. בתכנון זה משתמשים בשטח של 26.0×25.6 מ”מ, שהוא שווה ערך ל-665 ממ”ר וכולל גם את קבלי הכניסה והיציאה. מעגל הבקרה המוצב בחלק התחתון של המעגל תופס כמחצית השטח הזה. כל אלו מייצגים צפיפות הספק גבוהה ב-30% בערך מזו של המודול המשולב הטוב ביותר שאפשר לקבל כיום. צפיפות הספק זו אמורה להשתפר אפילו עוד, מאחר ש-Murata Power Solution מתכננת לייצר גרסאות ל-60 אמפר, 80 אמפר ול-100 אמפר ויותר, עם יעד של הגדלת צפיפות הזרם וההספק בכל תכנון חדש.
איור 2. ביצועי החום של בלוק הספק אומתו על פני הטווח השלם של תנאי הפעולה (למעלה). בדיקות חום בוצעו גם עם יחידות מרובות המותקנות כשהן צמודות זו לזו, על מנת להדמות מצב שבו נדרשים בלוק הספק מרובים כדי לספק זרם גבוה או מתחים מרובים להתקן יחיד
ביצועי חום
ממיר מתח טוב מבטיח שאף לא אחד מבין הרכיבים שלו יגיע לטמפרטורה שחורגת מהטמפרטורה המוגדרת לו, ושכל המערכת נמצאת בטמפרטורה נמוכה ככל האפשר, על מנת להגדיל את האמינות למקסימום. האחראים העיקריים להפקת חום הם טרנזיסטורי FET הממותגים, וסליל הספק.
בצד אספקת המתח. בה בעת, ייתכן שחלק מהרכיבים האחרים (התקני PWM, קבלים בעלי התנגדות טורית שקולה – גבוהה ודוחפים משולבים של טרנזיסטורי FET) לא תורמים באופן משמעותי להפסדי החום הכוללים, אבל כתוצאה מהמארז שלהם, הם עדיין עלולים להציג עלייה גבוהה של הטמפרטורה הפנימית.
תכנון לניהול חום טוב יכול להשתמש בטכניקות כדוגמת הצבה אסטרטגית של הרכיבים על המעגל המודפס, משקל הנחושת ומספר השכבות במעגל מודפס הראשי ושימוש אסטרטגי בחורי מעבר לצורך הולכה של חום הרחק מההתקנים. מארז קומפקטי בדרך כלל הוא האויב הרשמי של ניהול חום. למעשה שיקולים הקשורים לחום מכתיבים כיום את מגבלת הגודל של ממירי המתח של היום.
אתגרי התכנון האלו נפתרו באופן מלא בבלוקי הספק: המארזים שלהם תוכננו, נבדקו ואומתו בקפידה על פני טווח רחב של תנאי פעולה, על מנת לעמוד בתנאים של קווי ההנחיה IPC–9592 לפגיעה באורך החיים של רכיבים (עיין באיור 2). בהשוואה לשימוש ברכיבים דיסקרטיים, השימוש בלוקי הספק חוסך מידה רבה של זמן פיתוח ועלויות פיתוח.
לדוגמא, אפשר להשוות את ביצועי החום של רכיב SIP בתקן תעשייתי ל-50 אמפר עם ספק כוח יצוק ל-45 אמפר של החברה. צפיפות ההספק שלבלוק הספק גבוהה יותר מאחר שאפשר להרכיב את הרכיבים בצד השני של המעגל המודפס של היישום, כפי שנדון קודם – משום שרכיב SIP הוא בעל רגליים, אין אפשרות להרכיב כל רכיב מאחוריו. כמו כן, לרכיב SIP נדרש גוף קירור מובנה כדי לשפר את הקירור,
איור 3. עקומות ירידת ביצועים בטמפרטורה עבור מארז SIP סטנדרטי ל-50 אמפר (למעלה) מראות שהוא יורד ב-70 מעלות צלזיוס, אפילו עם זרימת אוויר של 500LFM. הביצועים של ספק הכוח היצוק עם זרימת אוויר של 200LFM, לא יורדים כלל (הגרף התחתון)
אם כי, בלוק הספק המסוים הזה לא נדרש גוף קירור.
עקומות ירידת הביצועים (איור 3) מראות שאף עם זרימת אוויר של 500LFM, עדיין יש ירידה ל-45 אמפר ב-70 מעלות צלזיוס. בה בעת, בלוק הספק לא מציג ירידה כלשהי על פני טווח הטמפרטורות כולו עם זרימת אוויר של 200LFM, מתחי יציאה בין 800 מילי וולט לבין 1.8 וולט.בלוק הספק ל-45 אמפר אכן יורד ל-35 אמפר במתחי יציאה של 2.5 עד 3.3 וולט, וזו ירידה שוות ערך לירידה של ספק הנתון במארז SIP של 50 אמפר ב-1.8 וולט באותה ספיקת אוויר.
תפיסות חדשות
אפשר לקבל כבר כיום את בלוק הספק ל-45 אמפר ו- Murata Power Solutions מפתחת מוצרים של בלוקי הספק המיועדים לזרמים גבוהים יותר. תכנונים חדשים אלו מוצגים באיור 4. בחלק העליון משמאל, אפשר לראות את התכנון של בלוק הספק ל-60 אמפר, פתרון בשני פאזות אשר משתמש בכריכת משרן כפולה על ליבה יחידה. באופן כזה נחסכים מקום וגם עלות, וכך גם מתאפשר חיבור ממשק של גוף קירור ישירות לטרנזיסטורי FET. המימוש ל- 60 אמפר שותף לאותה מארז (2.54×1.27 ס”מ) ולאותה תצורת פינים שיש בלוק הספק ל- 45 אמפר, עובדה שמייצגת עלייה של 33% בצפיפויות של ההספק ושל הזרם. בחלק העליון מימין של התמונה נראה התכנון של ספק ל- 80 אמפר בשני מופעים, עם אותה עקבת מעגל (footprint) כמו זו של גרסאות 45 אמפר ו-60 אמפר, עובדה שמייצגת עלייה של 78% בצפיפות ההספק והזרם לעומת אלו של המוצר ל-45 אמפר.
איור 4. תכנונים של מוצרים חדשים של בלוקי הספק לזרם גבוה יותר מבית Murata Power Solution: בכיוון השעון מצד שמאל למעלה: ספק כוח יצוק ל-60 אמפר במופע אחד עם גוף קירור, ספק כוח יצוק ל-80 אמפר בשני מופעים, בלוק הספק ל-120 אמפר בארבעה מופעים.
יחידות בסיס למודולי ייצוב מתח (VRM)
היחידה ל-120 אמפר המוצגת בתחתית איור 4 היא פתרון בארבעה מופעים עם עקבת מעגל קצת יותר גדולה, של ס”מ. תכנון זה מתאים באופן מיוחד ליישומים של מודולי ייצוב מתח (VRM) בריבוי מופעים (פאזות).
בלוקי הספק קיימים כיום בתצורות של פאזה אחד או שני פאזות, כאשר הדגם עם שני פאזות מספק שתי יציאות עצמאיות שאפשר להפעיל כל אחת מהן בנפרד. לחלופין, אפשר לשלב את שני המופעים לקבלת רמות זרם והספק כפולות עם אדוות (ripple) נמוכות יותר במוצא ותגובת טובה יותר בתופעות מעבר (TRANSIENT RESPONSE). אפשר להפעיל במקביל יחידות מרובות של בלוקי הספק בעזרת השימוש בבקרים לריבוי פאזות, על מנת לקבל זרמים של 90 אמפר, 135 אמפר, 180 אמפר, או אף יותר. סידור כזה מספק פתרון מודול ייצוב מתח (VRM) שניתן לשדרוג במארז גמיש יותר מאשר מודולים סטנדרטיים לייצוב מתח. שימוש במודול לארבע פאזות המספק 80 אמפר במארז של 3.87 סמ”ר בלבד יציב אתגר מול פתרונות מקובלים של מודולי ייצוב מתח ברכיבים דיסקרטיים. שני ספקי כוח יצוקים ל-80 אמפר בארבעה מופעים יכולים לספק 160 אמפר מארז של 7.75 סמ”ר בלבד. טכניקה זו נמצאת בשלב זה בתכנון, אבל עם מעט התאמות לספקי הכוח היצוקים היא אפשרית בהחלט.
מסקנות
ביישומים של זרם גבוה, גישת בלוקי הספק מציעה יתרונות רבים לעומת תכנונים ברכיבים דיסקרטיים וגם לעומת מודולי POL משולבים, במיוחד מבחינת המקום במעגל. כבר עתה אפשר למצוא מוצרים לזרם של עד 45 אמפר, כאשר הדגמים ל-60 אמפר, 80 אמפר ול-120 אמפר נמצאים בפיתוח. בלוקי הספק מתאימים במיוחד ליישומים של מודולי ייצוב מתח (VRM), מפני שהם יכולים לספק צפיפות זרם גבוהה דייה כדי לעמוד בתחרות של פתרונות ברכיבים בדידים, תוך כדי קיצור זמן הפיתוח, הפחתת העלויות והקטנת הסיכון. גישה זו מספקת גם פתרונות ניתנים לשדרוג, שבהם אפשר להשתמש במעגלי אם (MOTHER BOARDS) משותפים עבור טווח שלם של רמות ביצועים, ועם שימוש באפשרויות שונות של מעבדים.
הכתבה נמסרה באדיבות חברת STG
