Para las topologías de distribución de energía de placa de CI, la solución "óptima" se reduce a la experiencia

Se espera que los ingenieros analicen, creen y entreguen, de forma rutinaria, la "mejor" u "óptima" solución para un problema determinado. Si bien es posible hacerlo en algunas situaciones de diseño, ciertamente no es el caso para todas. La razón es simple: ¿contra qué parámetros y sus valores se juzga lo que es mejor? ¿Existe un factor crítico y abrumador, o es un equilibrio sutil entre los muchos factores diferentes que de alguna manera se optimiza mágicamente?

Acéptelo: el diseño de ingeniería no se trata solo de experiencia en la ejecución del diseño en sí, sino también en trabajar a través de las muchas compensaciones y compromisos que requiere cada diseño. Puede ser muy frustrante cuando las personas que no estaban en el ciclo del diseño critican de forma casual decisiones anteriores preguntando: "¿Por qué no se hizo esto y aquello?" O, "¿No se podría simplemente haber agregado 'x'?" Estas son preguntas fáciles de hacer cuando se está alejado de la percepción de las compensaciones que se hicieron.

Para algunas aplicaciones, por supuesto, uno o dos requisitos de desempeño pueden dominar la lista, como la necesidad de bajo consumo de energía y confiabilidad a largo plazo para una misión en el espacio profundo. Para otros casos, es fundamental cumplir con algunas especificaciones, pero no es necesario superarlas, ya que el producto final no se beneficiará de ningún exceso.

Sin embargo, en todos los diseños, los ingenieros obviamente deben tratar de evaluar la naturaleza y el grado de vínculos entre los diversos objetivos del proyecto. Por ejemplo, si un poco más de disipación de potencia aumenta significativamente la velocidad o mejora la precisión, eso puede ser una muy buena compensación. Pero, ¿cómo se cuantifica el "costo" frente al "beneficio"? No se puede hacer eso de manera confiable en muchos casos, e incluso si se pudiera, esa relación generalmente es válida solo en un rango muy pequeño. Los vínculos de relación se vuelven aún más complejos, sutiles y difíciles de definir a medida que aumenta el número de tales variables.

Entonces, ¿qué pasa con la topología de distribución de energía?

Para ilustrar la complejidad del desafío de la solución optimizada, veamos una función bien definida del sistema: la PDT (topología de distribución de energía). Cada diseño electrónico tiene un subsistema de energía, pero nos centraremos en uno más pequeño y limitado de energía en una sola placa de CI. Por lo general, esto implica varios valores de riel de voltaje y diferentes demandas de corriente de cualquier riel individual, pero podemos comenzar con un caso simple de dos cargas idénticas de 5 voltios de 0.9 A (amperios) cada una.

Incluso para esta situación muy simple, hay dos opciones distintas (Figura 1) que se pueden implementar utilizando módulos reductores de CC-CC como estos de Maxim Integrated: de la familia uSLIC Himalaya. Una opción es usar dos unidades MAXM17632 de Maxim de 5 voltios/1 A con una para cada carga, mientras que una segunda opción es usar un solo módulo MAXM17635 de Maxim de 5 voltios/2 A para alimentar ambas cargas. Además, ¿qué sucede si una de las cargas tiene solo 75 mA (miliamperios) en lugar de 900 mA? ¿Se usa la unidad de 2 A para alimentar ambas, o se usa una MAXM17632 de 1 A más una MAXM17900 de 5 voltios/100 mA más pequeña para la segunda? Como de costumbre, la respuesta es sencilla: "Depende".

Figura 1: Hay dos topologías que pueden suministrar energía al mismo voltaje a dos cargas independientes: usar dos módulos CC-CC más pequeños (superior) o un módulo más grande común a ambos (inferior). (Fuente de la imagen: DigiKey)

Cualquiera de los enfoques debería funcionar, pero se deben considerar factores como la ubicación de las cargas entre sí, la eficiencia general frente a la carga, la disipación general si alguna de las cargas tiene períodos de inactividad y la captación de ruido del enrutamiento de la placa de CI. Incluso el espacio es un factor: el módulo de 2 A es de 4 x 4 mm (milímetros) = 16 mm², mientras que las unidades de 1 A son de 3 x 3 mm cada una para un espacio total de 9 + 9 = 18 mm². Esos 2 mm² adicionales pueden parecer de poca importancia, pero pueden marcar una gran diferencia en un diseño ajustado; analíticamente, es un aumento de espacio del 12.5%.

Y se vuelve más difícil

Para una situación tan sencilla de A vs. B, es probable que una opción sea mejor, aunque no por un amplio margen. Sin embargo, para los casos más complicados con muchas cargas, incluso al mismo voltaje nominal, a menudo hay muchos factores duros y blandos a considerar, como los que se enumeran a continuación.

• Número de cargas
• Corriente típica, máxima y en reposo para cada una
• Ubicación de cada carga respecto de las demás
• Dinámica de cada carga
• Captación de ruido debido a trazas más largas entre el módulo de potencia y la carga
• Precisión y regulación del voltaje en carga: una carga puede necesitar ±0.5% mientras que otra necesita 1%
• Equilibrio de carga: ¿qué pasa si una carga necesita 2 A y otra necesita solo 50 mA? ¿Un LDO (regulador de caída baja) para la carga de 50 mA sería una decisión más inteligente?
• Virtudes de conversión de energía de PoL (punto de carga cercano) y derivación requerida
• Área de la placa de CI necesaria para ejecutar la alimentación de CC primaria no regulada, así como múltiples trazas de alimentación de CC reguladas (y sus tierras); impacto en la flexibilidad del diseño
• Espacio agregado de módulos de potencia y sus componentes de soporte
• Flexibilidad de ubicación en la placa de CI
• Problemas de frecuencias de reloj, EMI y "latidos"; uso de un reloj común frente a relojes CC-CC individuales
• Eficiencia general de las diversas configuraciones de reguladores
• Número y tipo de componentes pasivos necesarios
• Caída de IR (resistencia de corriente), ancho de traza y posible necesidad de detección remota a niveles de corriente más altos
• Coste del componente de la BOM

Esta lista ilustra la complejidad multifacética del problema. Incluso para el caso sencillo de un solo voltaje, el número de posibilidades y los grados de libertad relacionados aumentan dramáticamente a medida que aumenta el número y las características de las cargas.

Resolver el problema no es cuestión de hacer una búsqueda exhaustiva de todas las posibilidades. El software EDA puede analizar un enfoque dado y calificarlo en función de los objetivos, e incluso ayudar al observar cambios modestos del tipo "qué pasaría si" en cada uno, pero no puede imaginar las diversas posibilidades y evaluar el beneficio frente al costo y las compensaciones de una topología determinada (al menos no todavía; ¡quizás con IA [inteligencia artificial] lo haga en unos años!). Agregue a esto la realidad de necesitar múltiples voltajes de riel y el problema se vuelve mucho más complejo, especialmente porque puede tener diferentes etapas intermedias de conversión de bus.

Es por eso que he visto a ingenieros usar hojas de cálculo básicas en lugar de herramientas EDA para calificar el impacto de las muchas rutas de topología. Sin embargo, al final, muchas de las celdas de la hoja de cálculo se completan con evaluaciones cualitativas como "deficiente", "bueno" o "muy bueno", además de pequeñas notas añadidas a cada celda, como "bueno, pero solo hasta 2 A”.

Sería bueno si fuera posible crear ecuaciones sólidas que vinculen las muchas variables en el análisis de topologías de distribución de energía. Esto no sucederá pronto, ya que hay muchos grados de libertad interrelacionados, pero están vinculados por correlaciones no lineales, puntos de inflexión, puntos de saturación y otras correlaciones complejas y, por lo general, difíciles de cuantificar.

Ahí es donde la pericia en ingeniería, la experiencia, el juicio e incluso la intuición entran a tallar al decidir los enfoques de PDT preferidos. Determinar la "mejor" topología de energía incluso para una sola placa de CI es un verdadero ejemplo de lo que significa la ingeniería y requiere más que un análisis numérico imparcial.

Conclusión

Cuando alguien dice que tiene la solución óptima al problema de diseño, la pregunta lógica que se debe hacer es simple y directa: "¿Óptima con respecto a qué parámetros, y en qué medida?” Incluso algo tan básico y tangible como su PDT tiene una gran lista de factores críticos, algunos estrechamente vinculados y otros vagamente vinculados.

Si presenta su solución de PDT en una revisión de diseño, indudablemente sus colegas ingenieros le preguntarán cómo y por qué seleccionó la topología propuesta. Esté preparado para presentar cuidadosamente su análisis, explicar su pensamiento y reconocer dónde se usaron la experiencia y el juicio en lugar de solo números. Al hacerlo, debería poder aclarar por qué su combinación de módulos de alimentación CC-CC y componentes asociados es claramente una opción adecuada, pero no la única.

Lectura recomendada:

Maximizar las ganancias usando convertidores PoL en miniatura

https://www.digikey.com/en/articles/maximize-gains-using-miniaturized-pol-converters

Cuando más es menos: ahorre espacio valioso al usar más reguladores

https://www.digikey.com/en/articles/when-more-is-less-save-valuable-space-using-more-regulators

Errores comunes que se deben evitar al usar módulos reguladores de CC/CC de rango medio

https://www.digikey.com/en/articles/common-mistakes-to-avoid-when-using-midrange-current-dc-dc-regulator-modules

Advantages of Modular DC/DC Converters Over Discrete Solutions

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Power Supply and Topology Solutions for Driving LED Arrays

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