Un convertidor de potencia reductor CC-CC se puede diseñar en varias configuraciones, que van desde arquitecturas discretas a modulares, según el nivel de integración. Como se muestra en la Figura 1, los elementos primarios de un convertidor CC-CC reductor incluyen el circuito de activación de la puerta, el inductor de potencia, el circuito de retroalimentación de voltaje de salida y los circuitos de control. Estos componentes se pueden integrar en varios niveles para crear diferentes dispositivos de administración de energía.


Figura 1. Componentes de un convertidor de conmutación reductor CC-CC

Nivel de integración por dispositivo (de izquierda a derecha: completamente discreto, regulador / parcialmente discreto, PowerSoC)
Figura 2. Nivel de integración por dispositivo de izquierda a derecha: completamente discreto, regulador / parcialmente discreto, PowerSoC.

Hay muchas formas en que las empresas de energía integran estos elementos para crear diferentes dispositivos semiconductores. Estos dispositivos pueden permanecer completamente (100%) discretos y consisten en un controlador independiente, una etapa de potencia independiente, un inductor y componentes pasivos. Estos componentes también pueden configurarse en un regulador, un dispositivo ligeramente más integrado, que consta de un controlador integrado y una etapa de potencia con un inductor externo y dispositivos pasivos.
Las soluciones de administración de energía, total o parcialmente discretas, tienen algunos componentes externos. Las arquitecturas de ambas opciones pueden ser difíciles de diseñar, especialmente para los expertos en energía, ya que la compensación del bucle de control y el análisis de estabilidad pueden ser un desafío. Además, el inductor es uno de los componentes más grandes del convertidor, por lo que colocarlo externamente aumenta drásticamente el tamaño total de la solución. Sin embargo, uno de los beneficios de diseñar con una arquitectura parcialmente discreta es que ofrecen un equilibrio de integración y flexibilidad.
A diferencia de las implementaciones total o parcialmente discretas, Intel ofrece un módulo de energía completamente integrado, el PowerSoC. Estos convertidores reductores CC-CC integran el control PWM, los circuitos de accionamiento de la puerta, los interruptores MOSFET, el inductor y los componentes de compensación del lazo de control. Los Intel PowerSoC solo requieren algunos componentes pasivos externos para el filtrado y, en ocasiones, para la compensación del bucle de control. El PowerSoC es la solución de semiconductor convertidor CC-CC reductor más integrada, que ofrece varias ventajas de diseño y sistema.

Intel Enpirion PowerSoC
Figura 3. Intel Enpirion PowerSoC

Los Intel Enpirion PowerSoC son una opción razonable para los clientes que buscan un módulo de alimentación o un zócalo regulador de alto valor. Los PowerSoC son particularmente valiosos para sistemas que requieren un tamaño de solución pequeño, densidad de potencia, facilidad de uso, bajo riesgo, bajo nivel de ruido y tiempo máximo para la creación de prototipos o la producción.
Los PowerSoC son la oferta de convertidores de energía más grande de Intel, que incluye> 50 dispositivos. La gama Intel de PowerSoC incluye familias digitales y de entrada de 12 V de bajo consumo, rendimiento optimizado y alta eficiencia.

Tabla 1. Gama de familias de PowerSoC de Intel

EP53xx y EN53xx
Pequeño y de bajo consumo
EN63xx
Rendimiento optimizado y altamente eficiente
EN23xx y EN29xx
Entrada 12V
EM21xx
Digital

Ventajas técnicas del uso de Enpirion PowerSoC

Reducción térmica
La reducción térmica es cuando un convertidor de potencia no puede entregar la corriente de salida nominal completa a altas temperaturas debido a las limitaciones del diseño del dispositivo y del silicio sin riesgo de daño. Por ejemplo, si un cliente necesita usar un dispositivo cerca de la corriente de salida máxima y su sistema necesita operar por encima de ~ 45 ° C, es posible que deba usar una fuente de alimentación más grande para alcanzar la corriente suficiente.
En general, los Intel Enpirion PowerSoC no requieren una reducción térmica, mientras que la mayoría de los otros módulos requieren una reducción térmica de moderada a extrema.

Densidad de poder
Power Density describe cuánta energía puede entregar un módulo, en el espacio más pequeño, sin problemas térmicos, combinando un tamaño de solución pequeño y eficiencia. Los dispositivos Intel Enpirion casi siempre tienen una densidad de potencia superior en comparación con las soluciones de conversión de la competencia disponibles.
Por ejemplo, la densidad de potencia Intel EM2130 para una conversión de 12 V a 1 V a 30 A es la siguiente:
IOUT = 30A (¡sin reducción térmica!) → POUT = 30A * 1V = 30W
Tamaño total de la solución ~ 18 mm x 20 mm = 360 mm2 = 0.56 in2
Densidad de potencia total => 53W / in2!
Debido al alto nivel de integración de PowerSoC, incluida la integración de inductores, requieren una PCB (placa de circuito impreso) mucho más pequeña. Por el contrario, las soluciones de energía discretas pueden ocupar hasta 7 veces más área que un Intel PowerSoC. Esta pequeña huella permite a los diseñadores de sistemas reducir el tamaño de la PCB de su sistema y ahorrar costos. Los diseñadores incluso pueden cambiar a un factor de forma más pequeño. Además, una placa de circuito impreso de 16 capas con vías ciegas y enterradas, como lo requieren muchos sistemas avanzados en la actualidad, cuesta aproximadamente $ 15 por pulgada cuadrada (2,3 centavos por milímetro cuadrado), por lo que ahorrar incluso una pequeña cantidad de espacio ofrece importantes reducciones de costos. . Los diseñadores también pueden aprovechar el espacio adicional de la PCB agregando características o componentes adicionales para hacer que la solución final sea más competitiva.

Ruido (ondulación y EMI)
En general, el ruido de la fuente de alimentación puede referirse a ruido eléctrico conducido (ondulación) o ruido electromagnético radiado (EMI).
La ondulación, o ruido eléctrico conducido, es la pequeña variación no deseada en Vout debido a las transferencias de energía durante los ciclos de encendido / apagado de cualquier convertidor de conmutación. La ondulación puede conducir a través de la PCB y causar un comportamiento no deseado, como fluctuaciones o trazas de señal, lo que es particularmente perjudicial para los circuitos sensibles al ruido (por ejemplo, SERDES). La ondulación se genera en gran medida por las elecciones de diseño con respecto a la frecuencia de conmutación y la capacitancia e inductancia parásitas. Los PowerSoC de Intel Enpirion cuentan con altas frecuencias de conmutación y alta integración para minimizar la capacitancia e inductancia parásitas, lo que permite que los dispositivos Enpirion tengan un rizado muy bajo, menos de 10 mV para la mayoría de los dispositivos.
EMI, o ruido electromagnético, se origina a partir de altas tasas de cambios de corriente (di / dt) que fluyen en bucles, creando una antena de bucle. EMI puede causar un comportamiento no deseado, como interferencias de datos o audio, o incluso violar los límites reglamentarios establecidos por la FCC. La potencia radiada es proporcional al radio del bucle de corriente y disminuye en r ^ 8. Los PowerSoC tienen bucles de corriente con un radio mucho más pequeño, r, que las soluciones discretas, lo que garantiza que la potencia radiada sea significativamente menor.

Fiabilidad (tasa FIT)
Una medida clave de la confiabilidad y solidez del sistema es la tasa de Fallos en el tiempo o tasa FIT.
Un FIT = Una falla por mil millones de horas, por lo que las tasas de FIT más bajas son mejores.
La tasa de FIT de un convertidor de potencia es la suma de todas las tasas de FIT de los componentes, que es la suma de la tasa de FIT del controlador, las tasas de ajuste del MOSFET de potencia, la tasa de FIT del inductor y la tasa de FIT de todos los componentes pasivos necesarios.
Las soluciones de energía discretas, por definición, son numerosos componentes de múltiples proveedores ensamblados por un diseñador de sistemas. Si bien el fabricante prueba cada semiconductor y componente pasivo, la confiabilidad total de la solución de energía discreta completa depende completamente de cómo se diseña el sistema y qué componentes se seleccionan.
Por el contrario, los Intel PowerSoC integran la mayoría de los componentes clave necesarios en un convertidor reductor. Este sistema de suministro de energía esencialmente completo, en un paquete de circuito integrado, está validado por el fabricante del suministro como una solución total, lo que garantiza que los PowerSoC tengan tasas FIT más bajas.

Revisión de las ventajas de PowerSoC

En conclusión, los Intel PowerSoC ofrecen:
Soluciones llave en mano que están diseñadas y validadas como un sistema de energía completo, que requieren poca experiencia en energía
Ahorro de tiempo y esfuerzo de diseño, acelerando el tiempo de comercialización
Una solución de bajo riesgo que evita errores de diseño que consumen mucho tiempo
Integración en una pequeña huella total
Si bien los PowerSoC tienden a tener menos flexibilidad de diseño y pueden ser más costosos que las soluciones total o parcialmente discretas, es importante comprender el valor total de un módulo de energía. Para hacerlo, los diseñadores deben comprender el costo total que pagan cuando utilizan un módulo de energía en comparación con una solución de energía discreta. Al discutir los precios, se debe evaluar la consideración del diseño adicional, las pruebas y el tiempo de validación.
En última instancia, el costo de desarrollo neto para diseñar una fuente de alimentación discreta suele ser más alto que el costo de desarrollo para diseñar con un PowerSoC, que debe tenerse en cuenta al elegir su solución de administración de energía. Esto significa que Intel Enpirion PowerSoC puede ser más económico para los clientes en volúmenes de rango bajo a medio, donde Intel ofrece el mejor equilibrio entre valor de rendimiento y ASP.
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