Maximizar las ganancias usando convertidores PoL en miniatura

Los requerimientos de energía del sistema actualmente son desafiantes, con los diseñadores necesitando superar problemas como múltiples voltajes de suministro, secuenciación de voltaje, altas corrientes de carga transitoria y calor excesivo. En lugar de abordar estos problemas en la fuente de alimentación del sistema, es más beneficioso introducir medidas a nivel de la PCB (placa de circuito impreso), lo que significa que se requiere algún tipo de convertidor de punto de carga (PoL). Dado que la mayoría de los ingenieros de diseño tienen que satisfacer las necesidades del mercado de conceptos de sistemas más pequeños y eficientes, las fuentes de alimentación PoL en miniatura tienen una gran demanda. Sin embargo, como no todos los convertidores PoL se crean igual, se deben considerar varios factores antes de tomar decisiones de suministro.

Numerosas tendencias clave han dominado la industria electrónica en los últimos años, entre las que destaca el alejamiento de la industria de los sistemas de energía centralizados, e incluso de las arquitecturas de energía descentralizadas o distribuidas (DPA). En cambio, la última preferencia es para las arquitecturas de bus intermedio (IBA), en las que un convertidor CC/CC front-end aislado suministra múltiples pequeños convertidores CC/CC no aislados (conocidos como convertidores de Punto de Carga/PoL) colocados cerca de las cargas que están suministrando (Figura 1).

Figura 1: Los convertidores PoL como este PMU8318 de Flex Power Modules ofrecen una alternativa a los sistemas de energía centralizados. (Fuente de la imagen: Flex Power Modules)

En relación con la implementación de los convertidores PoL, ha surgido otro conjunto de tendencias, incluida la necesidad de niveles de rendimiento cada vez mayores, la reducción de los costos y la miniaturización de los sistemas/componentes. Los últimos dispositivos electrónicos no solo son más rápidos e inteligentes, sino que también son considerablemente más pequeños, ligeros, con mayor densidad de potencia y más eficientes que los productos de la generación anterior.

Este factor tiene enormes ramificaciones para el diseño de la fuente de alimentación. En primer lugar, cada milímetro cuadrado de bienes raíces de PCB tiene un alto valor, así que cuanto más pequeño sea el convertidor, mejor. Pero hay otra cuestión a considerar aquí. Las fuentes de alimentación PoL resuelven el desafío de las altas demandas de corriente de pico y los bajos márgenes de ruido que requieren los semiconductores de alto rendimiento como los microcontroladores o los ASIC, predominantemente al estar colocados cerca de su punto de uso. Desafortunadamente, muchos diseñadores terminan dejando las consideraciones de suministro de energía para el último minuto debido a sus apretados programas de desarrollo y placas complejas. Como resultado, el espacio del PCB se ve frecuentemente comprometido, dejando solo espacio para un dispositivo en miniatura.

Otra consideración es la versatilidad. Es aconsejable evaluar si un convertidor PoL es adecuado tanto para los ASIC como para los FPGA, por ejemplo. Mientras que la mayoría de las fuentes de alimentación PoL optimizadas representan simples soluciones analógicas (no digitales), la capacidad de servir a los FPGA es importante, ya que están ganando popularidad entre los diseñadores para una multitud de aplicaciones.

Los FPGA ofrecen muchas ventajas sobre los ASIC diseñados a medida, incluyendo un menor costo, una amplia gama de tamaños y la posibilidad de reconfigurar los circuitos. Sin embargo, aunque estos beneficios son muy atractivos para los ingenieros de diseño, hay un problema. Cada FPGA requerirá múltiples fuentes de voltaje de CC. A menudo se necesitarán cuatro, seis o más rieles de corriente continua, algunos a corrientes relativamente altas para el núcleo, pero muchos a corrientes mucho más bajas. Por eso la selección diligente de los convertidores PoL es crítica, especialmente porque los últimos FPGA (y ASIC) de alta densidad son cada vez más sofisticados y exigentes. En términos simples, el rendimiento, la eficiencia, la calidad y la flexibilidad no pueden sacrificarse en nombre de la miniaturización.

Sin embargo, con los bienes raíces de PCB en una prima, no se puede pasar por alto la importancia del tamaño. Un punto clave es que los pequeños convertidores PoL suelen ser de bajo perfil y lo suficientemente ligeros como para ser utilizados en la parte inferior de una PCB, ahorrando más espacio y aumentando la flexibilidad de diseño. Compare este concepto de ahorro de espacio con las fuentes de alimentación PoL más grandes/pesadas/altas o con los convertidores aislados individuales que solo pueden ser montados en un lado de la placa y el beneficio es claro.

Además, los convertidores PoL en miniatura pueden colocarse mucho más cerca de sus cargas, lo que también presenta una serie de ventajas clave. A modo de ejemplo, se minimizarán las pérdidas de distribución de CC/CC, mientras que se superarán los problemas de sensibilidad al ruido y las emisiones de EMI. Además, se pueden reducir las inductancias parásitas, lo que permite una respuesta más rápida a los transitorios.

La implementación de múltiples convertidores PoL también facilitará en gran medida el suministro de las diversas fuentes de voltaje que suelen exigir los componentes de alta especificación de las PCB actuales.

Otra área que requiere escrutinio es el rendimiento térmico. A medida que los componentes de la energía se hacen más pequeños y más densos, el potencial de una mayor transferencia de calor es más frecuente. Sin embargo, se sabe que la disipación de energía, y por lo tanto de calor, debe mantenerse al mínimo, para evitar los aumentos de temperatura y la posible falta de fiabilidad, así como el costo adicional de eliminar cualquier exceso de calor. Por lo tanto, el mejor consejo es dar una lectura detallada a la hoja de datos del convertidor PoL, especialmente cuando se comprueban los datos de rendimiento y eficiencia térmica. La información relacionada con el rendimiento térmico se proporciona a menudo como una "curva de reducción de la potencia", que muestra cómo la máxima potencia de un convertidor depende de la temperatura ambiente y de las condiciones de refrigeración (Figura 2).

Figura 2: La curva de reducción de la corriente de salida del producto PMU8318 (punto de ajuste de 12 V_IN, 1 V_OUT, 6 A) muestra que la corriente se mantiene estable a 6 A sin flujo de aire hasta que se alcanza el valor de temperatura de +105 °C. (Fuente de la imagen: Flex Power Modules)

Los datos de eficiencia del producto también se encuentran en la correspondiente "curva de eficiencia" de la hoja de datos y deben ser objeto de una revisión exhaustiva (Figura 3).

Figura 3: La curva de eficiencia también debe ser considerada cuando se elige un POL. Aquí se muestran las características típicas de eficiencia del producto PMU8318 (12 V_IN, múltiples V_OUT y los niveles de frecuencia de conmutación mostrados, 6 A máx.). (Fuente de la imagen: Flex Power Modules)

También se recomienda que los diseñadores de sistemas busquen funciones adicionales que puedan aumentar el rendimiento. Por ejemplo, algunos reguladores incluyen una función de optimización de bucle que permite a los ingenieros optimizar su respuesta transitoria para diferentes cargas capacitivas, aumentando así la flexibilidad en el diseño del sistema. Ciertas soluciones PoL también proporcionan una función configurable de arranque suave o de seguimiento, que hace que el diseño de la secuencia temporal sea más fácil y flexible.

En resumen, los convertidores CC/CC en miniatura son adecuados para una amplia gama de aplicaciones en placas donde el espacio es escaso. Esos reguladores son compactos y eficaces en función de los costos, y proporcionan muchos beneficios genéricos para los proyectos, como ciclos de desarrollo más cortos, esfuerzos de calificación más fáciles, flexibilidad en la colocación de los diseños, niveles de calidad más altos y ahorros en los costos de desarrollo.

Para satisfacer la continua demanda de reguladores miniaturizados para PoL, Flex Power Modules vende su familia de productos compactos a través de DigiKey, que ofrece una excelente relación precio/rendimiento en un paquete pequeño, de bajo perfil y rico en características. La eficiencia es alta, generalmente del 95.3%, mientras que el rendimiento térmico también es excepcional, en parte porque el diseño de la AGL permite que el calor se transfiera a la PCB anfitriona.

Estos convertidores PoL enminiatura PMU8000, que están empaquetados en un factor de forma estandarizado en el mercado, pueden aplicarse en la parte superior o inferior de la placa, lo que los convierte en una solución muy flexible para los ingenieros de diseño. Una huella cubre los niveles actuales de 4 A, 6 A y 8 A, lo que proporciona aún más flexibilidad a los diseñadores de sistemas que pretenden optimizar el diseño de la potencia. Además, los módulos también pueden funcionar en altas temperaturas (hasta 105 °C) y en condiciones ambientales adversas. Aquí, el diseño resistente significa que el tiempo medio entre fallos (MTBF) se especifica en 171 Mhrs. Los reguladores PoL de Flex Power Modules son adecuados para una amplia gama de aplicaciones de conversión de energía, incluyendo FPGA, ASIC, procesadores de red, CPU y GPU, a través de sectores como el de las TIC (telecomunicaciones y datacom), industrial, pruebas y medidas, IoT, ferroviario y médico.