Když se evoluce potká s revolucí

Historie výkonové techniky potvrzuje, že optimalizace a flexibilita mohou koexistovat.

V relativně krátké době se v exponenciální míre vyvinuly elektronické systémy na bázi polovodičů. Na začátku byl první „integrovaný obvod“, vyvinutý v 50. letech dvacátého století, který zahrnoval jen dva tranzistory na podložce o velikosti téměř 2 čtvereční palce. V současné době jsou již k dispozici součástky, které zahrnují miliony tranzistoru na ploše pouhých několika milimetru čtverečných. Avšak „trestem“ za tento úspěch je potřeba vyvíjet neustále komplexnější výkonové systémy k podpore uvedených vysoce integrovaných součástek.

Nástup spínacího výkonového tranzistoru v 60. letech mel obrovský dopad na návrh napájecích zdrojů, vznikl pojem stejnosměrný měnič (DC-DC Converter). Ten velmi dobře posloužil ranému vývoji odvětví polovodičů, avšak požadavky na něj neustále narůstaly. Počátkem 80. let společnost Vicor představila nový přístup k přeměně DC-DC. Tak byla zahájena nová éra rozvoje výkonové techniky. Koncepce kvazirezonančního spínání s nulovým proudem a nulovým napětím (ZCS/ZVS) představovala odklon od dosavadní modulace šířkou impulzu (PWM), vycházející z měniču DC-DC se spínaným režimem. To vedlo k dosažení nových hodnot účinnosti a výkonové hustoty.

Díky tomu zvýšená výkonová hustota poskytovala možnost kvazirezonančního spínání s nulovým proudem. Společnost Vicor byla schopna vyvíjet to, co je nyní již všeobecně akceptováno jako hlavní průmyslové řešení modulárního výkonového systému: stavebnicový modul, tzv. brick. Zmíněný formát poskytl vývojovým technikům podstatně více pružnosti při vyvíjení nových systému, technickou, ekonomickou a tvůrčí volnost a urychlil vývoj součástek, které se neustále zmenšovaly, přičemž byly nákladově efektivnější. Avšak vlivem radikální obměny designu byla první generace modulu nedostatečně podporována výrobci jednotlivých komponent. Výrobci napájecích zdrojů byli nuceni volit součástky, které byly spíše určeny k použití při zpracovávání signálu. Tento stav mel dopad na velikost výsledného stejnosměrného měniče, poněvadž diskrétní součástky montované na povrchu desek zabraly přibližně 70 % dostupného prostoru na desce, kromě toho potenciometrické jádrové transformátory navíc přinášely šum i problémy s odváděním tepla.

Ale evoluce modulu, a následně i polomodulu a čtvrtmodulu (half brick a quarter brick), pokračovala dál s maximálním využitím výsledku vývoje v oblasti polovodičové techniky. Když se vyvinula integrační technika, byli již výrobci schopni kombinovat stále více funkcí v jedné součástce. Integrací soustavy řídicích obvodů v jediné součástce a díky aktivnímu zapojení dalších diskrétních komponent se výrazně zmenšil objem stavebnicových modulu druhé generace. Se dvěma diskrétními součástkami pro ovládání a s aktivním zapojením se snížila náročnost na prostor až na jednu desetinu kubického palce. Navíc byla doprovázena omezením poctu komponent ze 113 na pouhých 35. Přiměřeně k tomu klesly i náklady na 1 W výkonu, až o 50 % (viz Vicor Bricks prod pic).

Koncem 90. let dvacátého století již zcela nebylo pochyb o tom, že modulární přístup k návrhu výkonových systému akceptovala většina vývojových společností. Míra jeho užitečnosti byla díky stále probíhající evoluci dalekosáhlá. Avšak bylo také zřejmé, že i aplikace se neustále vyvíjejí. Výkonová hustota, která byla po dlouhou dobu, co se týče návrhu výkonových systému, pokládána za klíčovou, se také stala, jak později vyšlo najevo, dvousečnou zbraní. Integrované obvody byly stále více osazovány tranzistory spínajícími neustále rychleji, což melo negativní vliv na zvyšování přechodové teploty integrovaných tranzistoru, a tedy i na míru rozptylu a odvádění tohoto tepla. Takto hrozilo polovodičům doslova roztavení. Nalezené řešení se však ukázalo jako revoluční. Bylo jím snížení napájecího napětí u určitých integrovaných obvodu použitých v celém systému; znamenalo, že vývojoví technici byli nyní schopni snížit činný výkon konečných aplikací i bez ztráty výkonových charakteristik. Uvedený stav mel vliv na výrobu napájecích zdrojů, ale vyžádal si i zajištění daleko vetší flexibility s ohledem na skutečnost, jak velká je dodávaná energie. Při nižším napájecím napětí, v některých případech méně než 1 V, se tak hospodárně poskytovaný výkon stal ještě vetší výzvou, kterou bylo třeba řešit.

Zatímco bezpočet vyvinutých modulárních produktu se mohl přizpůsobit většině požadavku, koncem 90. let společnost Vicor nabízela již více než 8 000 standardních modulu, bylo stále žádoucí vyvinout optimální systém, který by také ve zvýšené míre splňoval rozdílné výkonové požadavky nejnovějších elektronických systému. Optimalizace a flexibilita jsou za běžných okolností protichůdné parametry. Ale díky dalšímu převratnému vývoji ve společnosti Vicor se s novými koncepcemi výroby výkonových komponent také změnilo zaměření výroby napájecích zdrojů zavedením jejich nové architektury.

S nástupem nového tisíciletí vznikl nový požadavek na distribuci výkonu s těžištěm v potřebě jeho vyšší hustoty a flexibility. V roce 2003 uvedla společnost Vicor na trh novou architekturu napájecích zdrojů, Factorized Power Architecture (FPA), která převzala koncepci Distributed Power Architecture (DPA), a rozšířila ji nad rámec možností architektury poskytované jak DPA, tak také Intermediate Bus Architecture (IBA).

Na základe ZCS/ZVS, jež se používaly v prvotních modulech, a na základe nové technologie Sine Amplitude Conver sion, nove navržená architektura FPA teží z vývoje v oblasti návrhu integrovaných obvodu; v základu se skládá ze tří prvku, které se společně nazývají V.I Chips.

Vývoj FPA a V.I Chips byl nejen pozoruhodný, ale byl označen i za revoluční počin v oboru designu napájecích zdrojů. V.I Chips jsou klíčové součásti architektury FPA. Každá z těchto tří komponent pracuje nezávisle, což umožnuje optimalizovat návrh napájecích zdrojů, a to i bez obětování flexibility, nezbytné ke splnění požadavku na konstrukci moderních systému. V podstatě lze říci, že výkonové systémy s využitím FPA a kombinace V.I Chips pracují na bázi techniky spínání s frekvencí v násobcích megahertzu a výkonovou hustotou měřenou v kW/in3. Tohoto stavu je dosaženo kombinací pomocného sběrnicového konvertoru, známého jako Intermediate Bus Converter Module (BCM), a modulu Pre-Regulator Module (PRM) a Voltage Transformation Module (VTM). Tyto tři prvky společně překonávají omezení neizolovaných regulátoru Point-of-Load (niPOL), použijí-li se spolu se sběrnicovým napětím 12 V nebo nižším v systémech vyžadujících nízkou hodnotu UCC=0,8 V nebo méně (viz V.I Chips prod pic).

Při použití architektury FPA lze sběrnicové napětí 48 V transformovat na napětí na procesoru tj. 1,2 V anebo níže, čehož regulátory niPOL dosahují účinným využitím tranzistoru FET použitých v jejich konstrukci. To znamená, že moderní napájecí systémy vyžadující násobky napětí UCC lze mnohem efektivněji navrhovat s využitím kombinace V.I Chips a architektury FPA, než je tomu u systému využívajících pouze dosavadní vstupní napětí sběrnice. Architektura FPA poskytuje vývojářům mnohem více variant a možností při navrhování systému při daném požadovaném výkonu na zátěži; řešení se také stává účinnějším s ohledem na ztráty. Při využití architektury FPA je pouze modul (VTM) tím článkem, který nezbytně vyžaduje umístění v bode „point of load“, což významně redukuje ztráty doprovázející přenos jinak běžně velkých proudu na desce plošných spojů ze vstupní strany na stranu výstupní.

Modul VTM poskytuje efektivní konverzi 48 V na 1,2 V na procesoru, čímž značně šetří prostor na desce plošných spojů ve srovnání s klasickým regulátorem Point-of-Load. Samotný modul VTM je schopen zajistit napětí v rozmezí 0,8 až 55 V v okamžiku zátěže a při proudu až do 130 A transformuje regulovaný vstup z PRM, který lze nastavit od 26 do 55 V v závislosti na koeficientu transformace (K factor) modulu VTM. Takto navržený systém odpovídá výkonové hustotě vyšší než 60 W/cm3 (obr. 1).

Obr. 1 Porovnání struktury a provozu hlavních výkonových architektur

V závislosti na požadované různorodosti výstupních napětí a dodávaného výkonu by mohl být výkonový systém utvořen z jediného popř. více modulu PRM a VTM. U systému, kde je požadována vyšší úroveň napětí anebo výkonu, se mohou moduly VTM a PRM zapojovat paralelně, aby zajistily vyšší výstupní výkon nebo určitou úroveň redundance. Moduly VTM byly vlastně navrženy pro inherentní provoz při paralelním zapojení, což eliminuje potřeby protokolu rozdělování výkonu a signálu, stejně jako zapojení s využitím dálkového zpětného sledování (remote sense).

Představení V.I Chips a topologie FPA bylo v oblasti výroby napájecích zdrojů uznáno zcela nezávisle za revoluční. Historie společnosti Vicor ukazuje, že evoluce je často doprovázena revolučními počiny, a je tedy zjevné, že v budoucnu architektura FPA pravděpodobně přinese i další významné posuny v technice napájecích zdrojů.