Point-of-Load-DC/DC-Wandler meistern Herausforderungen bei der Entwicklung von Energiesystemen
22.12.2023
Grundsätzlich besteht die Aufgabe einer Stromversorgung darin, eine eingehende AC-Spannung in eine oder mehrere DC-Spannungen mit niedrigerer Spannung und höherem Strom auf möglichst effiziente Weise umzuwandeln. Der Versuch, dasselbe Ergebnis durch eine Verringerung des Leitungswiderstands zu erzielen, erfordert eine Vervierfachung der Leiterquerschnittsfläche, was Gewicht und Kosten erhöht. RECOM hat zwei neue Baureihen von kostengünstigen und hocheffizienten „Point-of-Load“-Lösungen auf den Markt gebracht.
Grundsätzlich besteht die Aufgabe einer Stromversorgung darin, eine eingehende AC-Spannung in eine oder mehrere DC-Spannungen mit niedrigerer Spannung und DC-Spannungen mit höherer Spannung auf möglichst effiziente Weise umzuwandeln. Ein typisches Design beginnt mit einem AC/DC-Wandler mit Leistungsfaktorkorrektur (Power Factor Correction, PFC), um die aus dem AC-Netz verfügbare Leistung zu maximieren und die verschiedenen gesetzlichen Leistungsfaktoranforderungen zu erfüllen.
Es gibt zahlreiche Möglichkeiten, das DC/DC-Modul zu designen, aber auf der Suche nach verbesserter Stromversorgungseffizienz, Größe, Geschwindigkeit und Kosten hat sich die Stromversorgungsarchitektur von der sperrigen und ineffizienten zentralen Stromversorgungsarchitektur (Centralized Power Architecture, CPA) zur kompakten und hocheffizienten dezentralen Stromversorgungsarchitektur (Distributed Power Architecture, DPA) und Intermediate Bus Architecture (IBA) entwickelt.
Abbildung 2: Zentralisierte und dezentrale Stromversorgungsarchitekturen (Quelle: RECOM)
Abbildung 2 zeigt die drei Arten von Designs. Die CPA-Architektur erzeugt alle Systemspannungen an einer zentralen Stelle und verwendet dann Verteilerbusse, um die erforderlichen DC-Spannungen wie 12V, 5V und 3,3V an die einzelnen PCBs und Geräte weiterzuleiten.
Im Gegensatz dazu benötigen DPA und IBA eine höhere DC-Spannung von 24V oder 48V. Ein Point-of-Load-DC/DC-Wandler (PoL) wandelt die Spannung dann auf den gewünschten Wert herunter. Wie der Name schon sagt, befindet sich der PoL-DC/DC-Wandler so nah wie möglich an der Last.
Beide Architekturen zielen darauf ab, den Leistungsverlust zu minimieren. Bei der Übertragung von Strom von einer Stromquelle zu einer Last über eine Widerstandsverbindung, sei es ein Draht, eine Stromschiene oder eine PCB-Bahn, entstehen Leistungsverluste in Form von Wärme, die als Verteilungsverluste bezeichnet werden. Der Verteilungsverlust für einen Strom ist proportional zum Quadrat des Stroms und ergibt sich aus P = I2R, wobei R der Widerstand des Drahtes oder der Stromschiene ist. Um sie zu verringern, muss entweder der Strom oder der Widerstand der Leitung verringert werden.
Um den Strom zu reduzieren und gleichzeitig die gleiche Gesamtleistung an die Last abzugeben, muss die Spannung erhöht werden (P = VI). Eine Verdoppelung der Spannung von 24V auf 48V reduziert beispielsweise den Strom um 50%, was wiederum die Verteilungsverluste um 75% verringert. Der Versuch, das gleiche Ergebnis durch eine Verringerung des Leitungswiderstandes zu erzielen, erfordert eine Vervierfachung des Leiterquerschnitts, was zusätzliches Gewicht und Kosten bedeutet.
Stromversorgungsarchitektur. Bei einem verteilten Design werden die wärmeerzeugenden Elemente über die gesamte Oberfläche des Geräts verteilt, um Hotspots zu minimieren. Wärme ist der Feind von elektronischen Komponenten. Es ist hinlänglich bekannt, dass erhöhte Betriebstemperaturen zu erhöhten Ausfallraten führen. Bei einigen Anwendungen, wie z.B. den großen LED-Anzeigen in Sportstadien oder Las Vegas, sind die Auswirkungen übermäßiger Hitze spürbar. Die Lichtleistung einer LED nimmt mit steigender Sperrschichttemperatur ab. Lokale Hotspots können dazu führen, dass LEDs schneller ausfallen und während ihrer gesamten Betriebsdauer schwächer erscheinen.
Viele andere Anwendungen, darunter 4G- und 5G-Telekommunikationsinstallationen, Hochleistungs-Blade-Server-Racks in Rechenzentren, Cloud Computing und IT-Systeme in Unternehmen, stützen sich jedoch in erster Linie auf digitale Geräte wie MPUs, GPUs und ASICs mit kleinen Geometriedesigns, die mit Spannungen von 1,8V oder noch weniger laufen. Diese Geräte benötigen Hunderte von Ampere und eine extrem schnelle Reaktion der Stromquelle auf Lastspitzen. Es ist ineffizient, 48V in einem einzigen Schritt auf 1,8V abzusenken, da die Einschaltdauer der Schalttransistoren des DC/DC-Wandlers sehr niedrig wäre, was zu einem verschlechterten Einschwingverhalten führen würde.
In solchen Fällen wird ein IBA bevorzugt. Eine DC/DC-Wandler-Zwischenstufe wandelt 48V in Spannungen wie 3,3V oder 5V um, und ein abschließender PoL-DC/DC-Wandler führt den Schritt von 3,3V zu 1,8V aus. Außerdem ermöglicht das geringere Verhältnis zwischen Eingang und Ausgang eine wesentlich schnellere Reaktionszeit.
Bei den RPMGQ-20 und RPMGS-20 handelt es sich um durchkontaktierte, nicht isolierte DC/DC-Abwärtswandler mit einer Ausgangsleistung von 20A. Der RPMGQ-20 hat das Industriestandard-Quarter-Brick-Format, während der RPMGS-20 die aufkommende Standard-Gehäusegröße von 36,83mm x 34,04mm (1,45“ x 1,34“) mit einem Standard-Sechzehntel-Brick-Pin-out hat. Beide Produkte haben eine maximale Höhe von 15mm ab ihrer Montagefläche. Die Bauteile werden mit einer Eingangsspannung von 18V bis 75V betrieben, die nominalen Ausgänge sind wahlweise 5V oder 12V, trimmbar über einen weiten Bereich von 3,3V bis 8V bzw. 8V bis 24V.
Der Wirkungsgrad der RPMGQ-20- und RPMGS-20-Bauteile ist sehr hoch und erreicht Spitzenwerte von 98 % bei den Versionen mit 12V-Ausgang und 94% bei den Versionen mit 5V-Ausgang, wobei die Wirkungsgradkurve bis zu einer Last von etwa 10% nahezu flach ist. Aufgrund der geringen Verluste und des fortschrittlichen thermischen Designs ist bei allen Varianten Volllast mit einem Luftstrom bis zu einer Umgebungstemperatur von mehr als 90°C möglich, wobei ein Derating auf 120°C möglich ist.
Die Produkte bieten umfassenden Schutz gegen Eingangsunterspannung, Ausgangsüberstrom, Kurzschluss und Übertemperatur. Außerdem sind eine Fernabfrage und ein Steuereingang vorhanden.
Es gibt zahlreiche Möglichkeiten, das DC/DC-Modul zu designen, aber auf der Suche nach verbesserter Stromversorgungseffizienz, Größe, Geschwindigkeit und Kosten hat sich die Stromversorgungsarchitektur von der sperrigen und ineffizienten zentralen Stromversorgungsarchitektur (Centralized Power Architecture, CPA) zur kompakten und hocheffizienten dezentralen Stromversorgungsarchitektur (Distributed Power Architecture, DPA) und Intermediate Bus Architecture (IBA) entwickelt.
Abbildung 2: Zentralisierte und dezentrale Stromversorgungsarchitekturen (Quelle: RECOM)
Im Gegensatz dazu benötigen DPA und IBA eine höhere DC-Spannung von 24V oder 48V. Ein Point-of-Load-DC/DC-Wandler (PoL) wandelt die Spannung dann auf den gewünschten Wert herunter. Wie der Name schon sagt, befindet sich der PoL-DC/DC-Wandler so nah wie möglich an der Last.
Beide Architekturen zielen darauf ab, den Leistungsverlust zu minimieren. Bei der Übertragung von Strom von einer Stromquelle zu einer Last über eine Widerstandsverbindung, sei es ein Draht, eine Stromschiene oder eine PCB-Bahn, entstehen Leistungsverluste in Form von Wärme, die als Verteilungsverluste bezeichnet werden. Der Verteilungsverlust für einen Strom ist proportional zum Quadrat des Stroms und ergibt sich aus P = I2R, wobei R der Widerstand des Drahtes oder der Stromschiene ist. Um sie zu verringern, muss entweder der Strom oder der Widerstand der Leitung verringert werden.
Um den Strom zu reduzieren und gleichzeitig die gleiche Gesamtleistung an die Last abzugeben, muss die Spannung erhöht werden (P = VI). Eine Verdoppelung der Spannung von 24V auf 48V reduziert beispielsweise den Strom um 50%, was wiederum die Verteilungsverluste um 75% verringert. Der Versuch, das gleiche Ergebnis durch eine Verringerung des Leitungswiderstandes zu erzielen, erfordert eine Vervierfachung des Leiterquerschnitts, was zusätzliches Gewicht und Kosten bedeutet.
Stromversorgungsarchitektur. Bei einem verteilten Design werden die wärmeerzeugenden Elemente über die gesamte Oberfläche des Geräts verteilt, um Hotspots zu minimieren. Wärme ist der Feind von elektronischen Komponenten. Es ist hinlänglich bekannt, dass erhöhte Betriebstemperaturen zu erhöhten Ausfallraten führen. Bei einigen Anwendungen, wie z.B. den großen LED-Anzeigen in Sportstadien oder Las Vegas, sind die Auswirkungen übermäßiger Hitze spürbar. Die Lichtleistung einer LED nimmt mit steigender Sperrschichttemperatur ab. Lokale Hotspots können dazu führen, dass LEDs schneller ausfallen und während ihrer gesamten Betriebsdauer schwächer erscheinen.
DPA oder IBA - wie soll man sich entscheiden?
Viele Industrie- und Fabrikautomatisierungsanwendungen verwenden 5V oder 3,3V als Systemspannung für digitale Geräte. Diese Anwendungen eignen sich gut für einen DPA mit einem einzelnen PoL-DC/DC-Wandler an jeder Last, um die 48V-Schiene auf die niedrigere Spannung herunterzustufen.Viele andere Anwendungen, darunter 4G- und 5G-Telekommunikationsinstallationen, Hochleistungs-Blade-Server-Racks in Rechenzentren, Cloud Computing und IT-Systeme in Unternehmen, stützen sich jedoch in erster Linie auf digitale Geräte wie MPUs, GPUs und ASICs mit kleinen Geometriedesigns, die mit Spannungen von 1,8V oder noch weniger laufen. Diese Geräte benötigen Hunderte von Ampere und eine extrem schnelle Reaktion der Stromquelle auf Lastspitzen. Es ist ineffizient, 48V in einem einzigen Schritt auf 1,8V abzusenken, da die Einschaltdauer der Schalttransistoren des DC/DC-Wandlers sehr niedrig wäre, was zu einem verschlechterten Einschwingverhalten führen würde.
In solchen Fällen wird ein IBA bevorzugt. Eine DC/DC-Wandler-Zwischenstufe wandelt 48V in Spannungen wie 3,3V oder 5V um, und ein abschließender PoL-DC/DC-Wandler führt den Schritt von 3,3V zu 1,8V aus. Außerdem ermöglicht das geringere Verhältnis zwischen Eingang und Ausgang eine wesentlich schnellere Reaktionszeit.
RECOM DC/DC-Wandler für PoL-Anwendungen
RECOM hat mit RPMGS-20 und RPMGS-20 zwei neue Baureihen von kostengünstigen und hocheffizienten DC/DC-Reglern angekündigt, die sich hervorragend für 24V, 28V und 48V Stromschienen als PoL-Lösung in einer DPA eignen.Bei den RPMGQ-20 und RPMGS-20 handelt es sich um durchkontaktierte, nicht isolierte DC/DC-Abwärtswandler mit einer Ausgangsleistung von 20A. Der RPMGQ-20 hat das Industriestandard-Quarter-Brick-Format, während der RPMGS-20 die aufkommende Standard-Gehäusegröße von 36,83mm x 34,04mm (1,45“ x 1,34“) mit einem Standard-Sechzehntel-Brick-Pin-out hat. Beide Produkte haben eine maximale Höhe von 15mm ab ihrer Montagefläche. Die Bauteile werden mit einer Eingangsspannung von 18V bis 75V betrieben, die nominalen Ausgänge sind wahlweise 5V oder 12V, trimmbar über einen weiten Bereich von 3,3V bis 8V bzw. 8V bis 24V.
Der Wirkungsgrad der RPMGQ-20- und RPMGS-20-Bauteile ist sehr hoch und erreicht Spitzenwerte von 98 % bei den Versionen mit 12V-Ausgang und 94% bei den Versionen mit 5V-Ausgang, wobei die Wirkungsgradkurve bis zu einer Last von etwa 10% nahezu flach ist. Aufgrund der geringen Verluste und des fortschrittlichen thermischen Designs ist bei allen Varianten Volllast mit einem Luftstrom bis zu einer Umgebungstemperatur von mehr als 90°C möglich, wobei ein Derating auf 120°C möglich ist.
Die Produkte bieten umfassenden Schutz gegen Eingangsunterspannung, Ausgangsüberstrom, Kurzschluss und Übertemperatur. Außerdem sind eine Fernabfrage und ein Steuereingang vorhanden.
Fazit
Die immer strengeren Anforderungen an einen höheren Wirkungsgrad, ein besseres Wärmemanagement und ein höheres Einschwingverhalten haben zu Verbesserungen in der Architektur der Stromversorgung geführt. PoL- und Zwischenbus-DC/DC-Wandler mit hohem Wirkungsgrad sind Schlüsselkomponenten in diesen neuen Ansätzen, und die neuen RPMG Open-Frame-Designs von RECOM sind ideal für verteilte Stromversorgungsanwendungen.Anwendungen
