Keterbatasan Ruang PCB? Bagaimana Konverter Bus Menengah Dapat Membantu

Arsitektur Bus Menengah adalah metode baru yang digunakan perancang daya untuk menghemat ruang PCB. Artikel ini membahas manfaat solusi dan pengorbanan dari mengadopsi teknik ini, dan bagaimana hal itu dapat ditingkatkan untuk memenuhi persyaratan khusus aplikasi.

Bidang elektronika daya telah menjadi industri yang mapan dan sangat diteliti sejak lebih dari 100 tahun hingga penemuan penyearah busur merkuri pada tahun 1902 oleh Peter Cooper Hewitt. Penemuan penyearah ini diikuti oleh penyearah tabung gas katoda panas pada tahun 1926, transistor pada tahun 1948, transistor silikon p-n-p-n pada tahun 1956, IGBT pada tahun 1980, dan masih banyak lagi. Pada abad ke-21, elektronika daya terus berkembang di bidang energi bersih, kendaraan listrik, dan aplikasi server. Pertumbuhan dalam industri yang sedang berkembang ini mengharuskan perancang daya untuk menemukan solusi baru dan inovatif untuk memenuhi kebutuhan yang berkembang yang menuntut solusi yang lebih kecil dan lebih hemat biaya.

Salah satu arsitektur yang muncul adalah penggunaan Intermediate Bus Converter (IBC) dalam aplikasi daya. Sementara arsitektur daya terdistribusi (DPA) telah menjadi standar industri untuk desain titik beban (POL), memanfaatkan arsitektur bus menengah (IBA) adalah metode baru yang memungkinkan desainer untuk mengecilkan ukuran solusi dan menggunakan konverter POL berbiaya rendah. Konverter POL adalah konverter DC-DC step-down di dekat beban, meminimalkan impedansi dan menyediakan suplai tegangan yang tepat. Mereka dapat berupa modul daya seperti Intel® Enpirion® PowerSoCs, atau konverter uang diskrit. Menggunakan IBA untuk menyalakan konverter POL sering kali dapat menghasilkan biaya yang lebih rendah dan ukuran solusi yang lebih kecil sambil mempertahankan efisiensi sistem yang kompetitif.

Gambar 1. Arsitektur daya terdistribusi tradisional satu tahap vs. arsitektur bus perantara 2 tahap

Keuntungan menggunakan IBA dibandingkan DPA bergantung pada jumlah rel daya yang dikonversi, dengan lebih banyak rel menghasilkan lebih banyak ruang dan penghematan biaya. Efisiensi sistem dapat tetap kompetitif tergantung pada konverter POL yang digunakan.

Tabel 1. Perbandingan pengorbanan IBA vs. DPA

	Arsitektur IBC	Arsitektur DPA
Biaya	Biaya lebih rendah karena induktor dan konverter POL yang lebih kecil	Biaya lebih tinggi karena teknologi proses tegangan tinggi dan induktansi diperlukan
Efisiensi	Efisiensi sistem yang lebih rendah karena hilangnya daya pada konversi tahap pertama	Efisiensi sistem yang lebih tinggi tanpa adanya tahap perantara
Ukuran Solusi	Ukuran solusi total lebih kecil	Ukuran solusi total yang lebih besar
Kepadatan Daya	Solusi kepadatan daya yang lebih tinggi	Solusi kepadatan daya yang lebih rendah
# Rel	Ideal untuk digunakan dengan> 3+ rel keluaran	Ideal untuk digunakan dengan <3 rel keluaran

Dalam diskusi berikut, Intel EC2650QI 12-to-6 V Intermediate Bus Converter dan Intel Enpirion PowerSoCs akan digunakan sebagai contoh desain.

Tabel 2. Konverter Bus Menengah Intel Enpirion EC2650QI 12-ke-6 V

Spesifikasi	Fitur
VIN:8 – 13,2 V	Efisiensi hingga 94%
VOUT:VIN /2	tinggi 0,9 mm
6 Arus keluaran kontinu	Daya keluaran 36 W per konverter bus
Ukuran larutan 150 mm²	Mampu paralel (hingga empat untuk total 144 W)

Pendekatan Konversi Daya Multi-Tahap Membutuhkan Lebih Sedikit Ruang PCB

Saat mengkonversi langsung dari 12 V dalam pendekatan 1 tahap, konverter daya DC-DC 12 V berikutnya yang digunakan memerlukan teknologi proses 20 V atau lebih tinggi untuk menahan input yang lebih besar. Proses tegangan yang lebih tinggi diperlukan untuk menjamin margin yang cukup antara jangkauan operasi dan kerusakan perangkat karena lonjakan tegangan. Semakin besar proses tegangan, semakin besar perangkat, karena lebih banyak ruang yang dibutuhkan antara saluran, sumber, dan gerbang transistor di dalamnya.

Sebaliknya, memanfaatkan pendekatan 2 tahap dengan terlebih dahulu turun dari 12 V ke 6 V memungkinkan modul POL input yang lebih rendah di hilir. Modul tegangan input yang lebih rendah seringkali lebih kecil dan harga bersaing karena hanya memerlukan teknologi proses 10 V dan tidak memerlukan sirkuit internal untuk menangani tegangan input yang lebih tinggi ini.

Selain itu, ketika mengkonversi dari tegangan input yang lebih tinggi, induktor harus mampu menangani perbedaan tegangan selama setiap siklus switching. Saat turun langsung dari 12 V, induktansi yang lebih tinggi atau frekuensi switching yang lebih tinggi diperlukan untuk meminimalkan riak keluaran. Seringkali, perancang daya memilih untuk menerapkan induktansi yang lebih tinggi karena frekuensi switching yang lebih tinggi biasanya berarti lebih banyak kehilangan daya dan penurunan efisiensi. Namun, induktansi yang lebih tinggi ini berarti lebih banyak belitan di sekitar inti magnetik induktor, yang meningkatkan ukuran fisik induktor. Menggunakan IBC untuk turun dari 12 V ke 6 V sebaliknya akan memungkinkan desainer untuk mencapai riak serupa tanpa perlu meningkatkan ukuran fisik induktor dari setiap POL.

Solusi Desain yang Efisien Meskipun Ada Penalti Konversi Dua Tahap

Efisiensi sistem secara keseluruhan dalam pendekatan 2 tahap sangat bergantung pada efisiensi konverter bus. Untuk menghindari penalti konversi daya dua tahap yang umum, perancang harus memilih IBC efisiensi tinggi, seperti EC2650QI yang memberikan efisiensi konversi hingga 94% dengan menggunakan topologi kapasitor yang diaktifkan.

Misalnya:

Dalam pendekatan konversi langsung 1 tahap, mengonversi 12 V menjadi 3,3 V pada 3 A dapat mencapai 92% menggunakan Intel EN2340QI.

Gambar 2. Kurva efisiensi untuk Intel Enpirion EN2340QI dengan Vin 12V.

Dalam pendekatan 2 tahap, mengonversi 12 V ke 6 V terlebih dahulu dapat mencapai 94% menggunakan Intel EC2650QI.

• Kemudian, mengonversi 6 V menjadi 3,3 V pada 3 A dapat menjadi 95% menggunakan Intel EN6340QI.
• Akhirnya, efisiensi total untuk pendekatan 2 tahap adalah:0,94 x 0,95 =89,3%.

Gambar 3. Kurva efisiensi untuk Intel Enpirion EC2650QI memberikan Vin 12V.

Gambar 4. Kurva efisiensi untuk Intel Enpirion EN6340QI dengan Vin 5V.

Dalam membandingkan 92% vs 89,3%, kami melihat IBC menciptakan beberapa kerugian efisiensi tambahan yang tidak ada dalam pendekatan konversi langsung. Namun, untuk beberapa perancang daya atau aplikasi, penghematan ruang yang diperoleh mungkin lebih besar daripada kompromi dalam hal efisiensi.

Kehilangan efisiensi ini dapat dikurangi lebih lanjut melalui beberapa pilihan desain, sambil tetap mempertahankan penghematan ruang yang diperoleh dari penggunaan IBC. Perancang daya dapat memilih untuk secara khusus merancang IBC pada rel arus rendah, yang akan meminimalkan watt tambahan yang hilang. Mereka juga dapat memilih untuk memilih konverter yang lebih besar, yang dapat membuat desain keseluruhan lebih efisien. Menggunakan IBC memungkinkan para insinyur untuk menskalakan pilihan desain mereka untuk menemukan arsitektur yang secara sempurna menyeimbangkan batasan ukuran, persyaratan efisiensi, dan kebutuhan biaya.

Kapan Desainer Sistem Harus Memilih untuk Mendesain dengan IBA?

Umumnya, perancang daya harus mempertimbangkan IBA ketika mereka memiliki ukuran solusi atau persyaratan biaya yang ketat, tetapi beberapa fleksibilitas dalam efisiensi. Khususnya, menggunakan pendekatan 2 tahap ini sering kali paling bermanfaat saat mengonversi 3 rel atau lebih, karena manfaat dari ukuran solusi yang lebih kecil dan biaya yang lebih rendah menjadi semakin jelas. Sebagaimana dinyatakan di atas, arsitektur IBC dapat diskalakan dan disesuaikan untuk memenuhi persyaratan desain tertentu.

Misalnya, jika kami menggunakan Intel EN2342QI untuk empat pagar berikut, perkiraan efisiensi sistem adalah sekitar 87% dengan ukuran solusi total 800mm². Jika kami menggunakan IBC dengan empat konverter POL yang lebih kecil, perkiraan efisiensi sistem adalah sekitar 84% dengan ukuran solusi total 390mm². Pendekatan 2 tahap memiliki efisiensi yang sebanding sementara membutuhkan kurang dari setengah ruang PCB, peningkatan 51% dalam penghematan ruang! Dengan setiap pagar tambahan, ada penghematan ruang rata-rata 100mm², dan penghematan biaya lebih banyak.

Gambar 5. Contoh pohon daya untuk arsitektur IBC 1 tahap vs. 2 tahap menggunakan POL kecil

Tabel 3. Perbandingan Tingkat Sistem dari Efisiensi Total dan Ukuran Solusi

1-Tahap menggunakan POL Besar	2 Tahap menggunakan POL Kecil
Efisiensi:~87%	Efisiensi:~84%
Ukuran Solusi Total:800mm²	Ukuran Solusi Total:390mm²

Untuk beberapa desainer, ruang yang drastis dan penghematan biaya dapat mengkompensasi penurunan efisiensi sistem. Namun, efisiensi dapat lebih disetel dan ditingkatkan dengan mengganti beberapa konverter POL kecil untuk yang lebih besar, seperti pada contoh berikut.

Gambar 6. Contoh pohon daya untuk arsitektur IBC 1 tahap vs. 2 tahap menggunakan POL kecil dan besar

Tabel 4. Perbandingan Tingkat Sistem dari Efisiensi Total dan Ukuran Solusi

1-Tahap menggunakan POL Besar	2-Tahap menggunakan POL Kecil &Besar
Efisiensi:~87%	Efisiensi:~85%
Ukuran Solusi Total:800mm²	Ukuran Solusi Total:590mm²

Dalam contoh di atas, kami mengganti dua konverter POL EN6340QI kecil dengan konverter EN6362QI yang lebih besar dan lebih efisien. Setelah melakukannya, efisiensi meningkat menjadi lebih dari 85%, dengan ukuran solusi yang masih 26% lebih kecil jika dibandingkan dengan pendekatan DPA.

IBA Menyediakan Alat Desain Tambahan untuk Solusi yang Disesuaikan

Singkatnya, IBA menyediakan alat desain tambahan dan peluang unik bagi para insinyur untuk menyesuaikan solusi yang memenuhi kebutuhan spesifik mereka. Memasukkan Konverter Bus Menengah memungkinkan perancang daya untuk menggunakan modul yang memerlukan proses tegangan dan induktansi yang lebih rendah. Perubahan ini secara langsung diterjemahkan ke ukuran solusi total yang lebih kecil.

Setiap daya yang hilang dari tahap tambahan dapat dikurangi dengan menggunakan IBC efisiensi tinggi dan membuat pilihan desain khusus aplikasi. Salah satu contohnya adalah Intel Enpirion EC2650QI, yang dapat diparalelkan dengan hingga empat perangkat untuk membuat bus 144 W, dengan masing-masing perangkat hanya membutuhkan ukuran solusi total 150 mm².

Sumber Daya Tambahan

• Halaman informasi Intel Enpirion
• Pengantar video Youtube Intel Enpirion Power Solutions
• Halaman produk EC2650QI
• Ikhtisar Intel EC2650QI video Youtube

Artikel Industri adalah bentuk konten yang memungkinkan mitra industri untuk berbagi berita, pesan, dan teknologi yang bermanfaat dengan pembaca All About Circuits dengan cara yang tidak sesuai dengan konten editorial. Semua Artikel Industri tunduk pada pedoman editorial yang ketat dengan tujuan menawarkan kepada pembaca berita, keahlian teknis, atau cerita yang bermanfaat. Sudut pandang dan pendapat yang diungkapkan dalam Artikel Industri adalah milik mitra dan belum tentu milik All About Circuits atau penulisnya.