Modul eller diskret kraftforsyning? - Elektronikknett
Cui-Figure1
Figur 1: CUIs VOF-300 er en ac-dc kraftforsyning i åpen ramme, som er i stand til å levere opp til 14,7 W/in3.

Modul eller diskret kraftforsyning?

Det er et eldgammelt spørsmål artikkelforfatteren tar opp. Og svaret er i kontinuerlig endring. Men er det blitt klarere?

Dagens ingeniører føler nok presset for å få gjort mer på kortere tid, samtidig som de skal være eksperter på ulike felt, og utnytte sine ressurser mer effektivt for å toppe profitten. Disse arbeidsbetingelsene endrer måten ingeniørene tilnærmer seg å finne løsninger på deres mest presserende utfordringer – spesielt når det gjelder det uunngåelige behovet for kraftforsyning.

Utakknemlig oppgave
De færreste organisasjoner har de finansielle- eller de tekniske ressursene for å sette av et eget team til å utvikle kraftforsyninger spesifikt til behovene i hvert enkelt prosjekt. I stedet får ofte en av prosjektingeniørene oppgaven – eller byrden, som ofte er tilfellet – med å finne en kraftforsyning egnet for anvendelsen. Et valg ingeniøren ofte står overfor i denne situasjonen, er hvorvidt det skal legges tid i å utvikle en kraftforsyning basert på diskrete komponenter, eller anvende en forhåndsdesignet modul fra en ekstern leverandør. Dette er selvsagt ikke et nytt dilemma for ingeniøren, men – ettersom designsyklusene blir kortere og applikasjoner i alle markeder krever mer effekt på mindre plass, er svaret på dette evige spørsmålet i konstant utvikling.

Effekttetthet
En av de mest iøynefallende forskjellene mellom diskrete kraftløsninger og forhåndsdesignede moduler, er plassen de bruker og den tilhørende effekttettheten de leverer. Effekttetthet er et mål på hvor mange watt som omformes på det volum av plass som er brukt.; typisk betegnet som watt per tomme (W/in3) eller watt per kubikkcentimeter (W/cm3). De fleste markeder krever utstyr med stadig mer prosesseringskraft, sensorkapasitet og funksjonssett. Imidlertid øker ikke den tilgjengelige plassen som er satt av for å utføre disse oppgavene, og i mange tilfeller kreves det tvert imot en reduksjon i plassbruken. Dette driver behovet for høyere tetthet og mer integrerte løsninger – og kraftforsyningssystemet er intet unntak.

Optimalisert
Hyllevare kraftmoduler er ofte optimalisert når det gjelder størrelse, og er i stand til å levere det høyeste antall watt på den minst mulige plassen. Som et eksempel viser Figur 1 unders CUIs VOF-300 serie ac-dc kraftforsyning, som leverer en effekttethet på opp til 14,7 W/in3 i en chassismontert pakke.

Diskrete løsninger

Cui-Figure2 Figur 2: Et eksempel på kortplassen som opptas av henholdsvis diskrete og modulbaserte kraftforsyningsløsninger.

I den andre enden av spekteret finner vi kraftforsyninger som er designet direkte på systemkretskortet, med diskrete komponenter. I disse løsningene er det ofte konkurrerende behov for plass, mellom kraftløsningen og resten av systemfunksjonene på kretskortet. Med kraftforsyninger som krever store og klumpete komponenter kan det være vanskelig å sentralisere alle komponenter i en løsning på kortnivå, hvilket resulterer i langt lavere effekttetthet. Dette er spesielt aktuelt når applikasjonene er designet i den hensikt å kun ha komponenter montert på én side av kretskortet. Uten mulighet til å utnytte den andre siden av systemkortet, vil den diskrete kraftløsningen ha en tendens til å breie seg utover og sluke verdifullt kortareal.

Utnytte z-aksen
Under slike omstendigheter, der systemkretskortet er begrenset til å ha komponenter kun på én side, kan ferdige kraftmoduler tilby betydelige plassbesparelser; spesielt dersom det er vertikal plass tilgjengelig for å utnytte z-aksen, altså arealet vinkelrett på kortoverflaten. Dette øker verdien av den ferdige modulen, som er optimalisert for størrelse og i tillegg utgjør en plug-and-play-løsning. Figur 2 viser reduksjonen i kortarealet som opptas ettersom et design endres fra en énsidig diskret kraftforsyningsløsning, til en tosidig løsning basert på diskrete komponenter, og endelig til en forhåndsdesignet kraftmodul, som vil være i stand til å utnytte den ledige plassen i z-aksen over kretskortet.

Designoptimalisering
Ingeniører som utvikler flere kraftforsyninger årlig, vil sannsynligvis bygge opp et sett med ‘go-to’ komponenter som er godt forstått og tiltrodd. For de fleste ingeniører kan imidlertid tanken på å designe diskrete kraftløsninger være ganske så skremmende og brysom å skulle implementere innenfor rimelig tid. Derfor støtter mange ingeniører seg til referansedesign fra ulike leverandører av kraftkomponenter, for å få fart på prosessen. Leverandørene gjør hva de kan for å bidra til å spesifisere en materialliste, utleggsanbefalinger og beste designpraksis, men hver eneste applikasjon er forskjellig, og krever ofte at ingeniøren avviker fra referansedesignet for å kunne møte kravene deres applikasjon har til ytelse, plassbegrensninger, termiske egenskaper eller EMI. Dette medfører en risiko for å vikle seg inn i komplikasjoner; i form av både kostnader og tid, så vel som ytelse.

Konflikt med referansedesign
For å ta et eksempel, kan en ny applikasjon gjerne bare kreve et tolags mønsterkort med 1 oz kobber, mens det valgte referansedesignet for den diskrete kraftløsninger anbefaler 4 lag med 2 oz kobber. Da har man muligheten for å doble antall lag og doble kobbervekten for hele applikasjonskortet, men dette vil medføre en betydelig kostnad for designet. I tillegg vil det kreve tid med møysommelig utlegg av alle kraftplan og optimalisering av lederbaner for de diskrete komponentene, i tråd med kontrollerleverandørens anbefalinger.

Fra to verdener…
Derimot vil ferdige kraftmoduler tillate ingeniørene å utnytte det beste fra to verdener; de kan designe systemkortet med bruk av færrest mulig mønsterkortlag og minst mulig kobber, samtidig som de drar nytte av kraftmodulen til å forenkle og optimalisere kraftomformerbehovene. I stedet for å bruke uanstendig mye tid på å spore opp alle komponentleverandørene, legge ut kraftplan, sørge for at tilbakekoplingssløyfen er tight og støyfri, og forbli nøye med å holde svitsjenoden(e) borte fra følsomme analoge kretser, kan ingeniørene simpelthen bare velge en forhåndsdesignet modul av passende størrelse, og fokuser innsatsen mot andre oppgaver i tilknytning til designet.

Ferdig og sertifisert

Cui-Figure3 Figur 3: CUIs 5 W PBO SIP ac-dc serie er optimalisert for å kunne utnytte z-aksen, og dermed redusere kortarealet som brukes betydelig.

Et eksempel som poengterer dette kan være CUIs PBO-5 serie med 5 Watt ac-dc omformere, som vist (figur 3). Disse kompakte modulene utgjør enkle, kortmonterte løsninger for å kunne konvertere ac nettstrøm til en dc-forsyning for ulike elektriske kretser (tilgjengelig med utgangsspenninger fra 3,3 til 24 Vdc). Disse PBO-modulene er UL- og CE-sertifisert, tilbyr en isolasjonsspenning på 3 kVac, og har kortslutnings- og overstrømbeskyttelse – alt i en anvendelig ultrakompakt SIP pakke.

Designvalidering
Kvalifiseringstest og designvalidering av en kraftforsyning er tilleggsfaktorer som en ingeniør må ta i betraktning når han skal bestemme seg for en diskret eller modulbasert løsning. Å utføre all påkrevd valideringstesting for et diskret design er en lite triviell oppgave som vil kreve betydelig med tid og innsats. En ingeniør kunne bruke ukevis med design og debugging av designet, og kostnaden og tidsbruken for prosjektet vil øke med hvert eneste ekstra kortspinn som kan bli påkrevet. I motsetning til dette er hyllevaremoduler blitt forhåndstestet, forhåndskvalifisert, og ofte forhåndssertifisert for de aktuelle sikkerhets- og EMI-standardene som kraftforsyningssystemet vil måtte oppfylle. Ved å velge en forhåndssertifisert kraftmodul, kan sertifiseringsprosessen for sluttapplikasjonen ofte bli fremskyndet.

Ekstra risikonivå
Et annet hensyn som må tas ved design av en diskret løsning berører det faktum at historisk pålitelighet og ytelsesdata – i nesten alle tilfeller – ikke vil være tilgjengelig for å bidra til å analysere faktorer som yield og feilrate. Dette medfører i sin tur enda et risikonivå i designprosessen. Moduler kommer på den annen side generelt med en sporbar kvalitetshistorikk som er tilgjengelig fra kraftforsyningsleverandøren, og som tillater utviklerne å gjøre et riktig valg av en ferdig kraftforsyningsløsning før de designer den inn i sin applikasjon.

Dyrere – eller?
I rettferdighetens navn skal det nevnes at forhåndsdesignede moduler nesten alltid vil være dyrere enn diskrete implementeringer, når vi kun ser på materialkostnadene (BOM). Dette er også årsaken til at mange organisasjoner presser designteamene sine til å velge denne løsningen. Avhengig av faktorer som måltall for BOM-kostnadene, krav til applikasjonene, og innomhus ressurser, kan en diskret løsning meget vel være en ideell løsning. Imidlertid, når man analyserer kostnadene for et design, er det essensielt å ta i betraktning alle de tilknyttede ressursene, inkludert designtid, simuleringstid og –verktøy, tidsbruk for utlegg, krav til kretskortet, evalueringstide og kapitalkostnader, i tillegg til BOM-kostnaden alene.

Fordelene
For mange selskaper, basert på en prosjektanalyse fra et litt høyere nivå, vil bruk av ferdige kraftmoduler kunne gjøre det mulig å levere prosjekter til produksjon på kortere tid, med lavere risiko, færre bekymringer og lavere totale prosjektkostnader. Kanskje er de ikke det rette svaret for alle applikasjoner, men på bakgrunn av årsakene nevnt over, oppnår kraftmoduler stadig flere fordeler, i et økende antall design.

Kommentarer