Telekomindustrin har alltid haft fokus på säker spänningsmatning och effektiv reservkraft. Patrick Le Fèvre från Ericsson Power Modules visar här hur den traditionen kan utnyttjas för att effektivisera också många andra områden.

Den mellanbussarkitektur (IBA) som telekomindustrin har ägnat flera decennier för att göra kostnadsmässigt konkurrenskraftig och som sömlöst kan alternera mellan elnätets växelström och lokal batteribaserad reservkraft är ett alltmer attraktivt alternativ för systemarkitekter inom en rad olika industrier som behöver hög tillgänglighet. Kontinuerlig utveckling inom områden såsom intelligent krafthantering stärker argumenten för IBA-metoden och medan sådana strategier har varit möjliga under många år förenklas deras implementering väsentligt av nyligen kommersialiserade digitala kraftomvandlare. Dagens ekonomiskt och miljömässigt känsliga läge gör det omöjligt att ignorera potentiella energibesparingar — och detta gäller framför allt system med kraftigt varierande belastning.

Evolution eller fortlöpande revolution?
Det har aldrig varit lämpligare för konstruktörer av kraftsystem att åter undersöka sedan länge etablerade metoder och aktivt utforska nya. Revolution är dock också en realistisk beskrivning av de förändrade egenskaper som nyligen lanserade kraftomvandlare med digital återkoppling har jämfört med analoga motsvarigheter. Eftersom analoga plattformar förfinats under många decennier av evolution är betydande förbättringar i funktionalitet och prestanda osannolika.
För att konkurrera måste dock den digitala metoden vara bättre från och med produktlanseringen, vilket är anledningen till att den tagit så lång tid att framgångsrikt kommersialisera. Kommersiella blandsignalprocesser som gör det möjligt för kretsarkitekter att, till obetydlig extrakostnad, lägga ett mät- och styrsubsystem och kommunikationsgränssnitt bredvid den digitala PWM-styrkärnan möjliggör nu produkter som elektriskt sett är överlägsna analoga konstruktioner. Med sina 396 W och reglering på ±2 % kan exempelvis Ericssons BMR453 nästan fördubbla den effektdensitet som levereras av kraftigt styrda analoga kvartsbrick-baserade mellanbussomvandlare.

Fig 1. En digitalt styrd buckomvandlare med krafthantering och PMBus-länk

Den digitala plattformen möjliggör dessutom en mängd programmerbara funktioner, allt från inställning av konstanter såsom utspänning, sekvensering av fördröjningar och stigtider samt trösklar för felförhållanden i ett enda programmeringssteg för att dynamiskt optimera viktiga parametrar i system under drift. Med SMBus som bas och ett standardiserat kommandospråk för kraftstyrning, gör PMBus — som i sig är en industriframgång — det lättare att utforska och implementera en nivå av styrning som är oöverträffad i analoga omvandlare och som i sin tur möjliggör övertygande möjligheter för förbättringar av systemkonstruktioner. Fig 1 visar de viktigaste funktionerna i en representativ digitalt styrd buckomvandlare:

Digital återkoppling
Digital återkoppling, som kan anpassas till linje- och lastförhållanden i realtid, dämpar förluster med hjälp av tekniker som inkluderar adaptiv dödtidstyrning — vilket innebär att perioden mellan kraftswitcharnas ledning varieras för att undvika s k “shoot-through”. För en buckomvandlare är exempelvis målsättningen att minimera ledningsperioden för den diod som ger relativt stora förluster i den lägre synkroniserade FETen. Förbättringen av verkningsgraden, som är resultatet av optimering av denna traditionellt fasta parameter, ökar med ökade nedomvandlingsförhållanden och högre switchhastigheter, och kan motsvara flera procent. Jämfört med analoga DC/DC-omvandlare som normalt är mest verkningsfulla på mellan ungefär 50–70 procent av full belastning visar resultaten för BMR453 i fig 2 på en breddning av verkningsgradkurvan, som är nästan plan från ungefär 10 procent av full belastning och uppåt och som uppnår 96 procent eller bättre vid normal drift samtidigt som den också är relativt okänslig för inspänningsnivån. Särskilt intressant för konstruktörer av kraftomvandlare är att andra produkter med mycket varierande effektnivåer som utnyttjar konstruktioner med gemensam kärna uppvisar i princip identiska egenskaper för verkningsgraden vilket lovar mycket större skalbarhet än den som ges av analoga kretsar.

Klassisk 48 VDC
Tillförlitlig kraft blir allt viktigare på grund av att samhället blir alltmer beroende av att kommunikationssystem är tillgängliga, samt att dataorienterade infrastrukturer strukturellt sett förpassar all meningsfull uppdelning mellan telekom och datakom till historien. Den generiska modellen för att säkra kontinuerlig tillgång till kraft i sådana system kombinerar ett AC/DC-ingångssteg som hämtar kraft från elnätet med ett batteribaserat reservsystem och en reservgenerator för matning av en buss för distribution av DC-kraft; och det är ett välbeprövat arrangemang som passar många industrier. Om man håller i minnet att den har sina rötter i blyackumulatorteknik som är äldre än AC-nätet är den nivå på 48 VDC, som telekomspecifikationen ETSI EN 300 132-2 definierar som en driftsspänning för 40,5 – 57,0 VDC, fortfarande ett utmärkt alternativ för en buss för DC-distribution till system som eventuellt kräver effektnivåer räknade i kW, antingen initialt eller när de utvecklas för att tillgodose ökade effektbehov. I jämförelse med, låt säga, en distributionsnivå på 12 VDC, som kommer att ha svårt att driva högeffekttillämpningar, underlättar 48 VDC problem med motståndsförluster och minskar ledningsdragningen och antalet anslutningar.
Relaterade problem inkluderar behovet att tillgodose säkerhetsspecifikationen IEC/EN 60950-1, som i praktiken är en global förutsättning, och som underlättas av en begränsning av abnormal drift vid 60 VDC för 48 VDC system. Hänsyn till detta inverkar på kostnaden för ägandet (cost-of-ownership) som lätt förbises. Förutsatt att AC/DC-ingångssteget ger dubbel isolering från AC-nätets primära matning behöver nästan alla system bara en bussomvandlare (IBC) för att ha funktionell isolering som är enkel att konstruera. Detta tillvägagångssätt är mer energieffektivt än barriärer som kräver större avstånd mellan olika delar, såsom transformatorlindningar, eftersom energiöverföringens verkningsgrad snabbt minskar med ökade kopplingsavstånd.

Fig 2. Adaptiv digital återkoppling minimerar förlusterna vid en rad olika förhållanden

Det är också värt att komma ihåg att bussomvandlarens isoleringsbarriär sällan har något säkerhetsrelaterat syfte, eftersom system nästan alltid ansluter sin in- och utgående jord på kortnivå eller på en fjärrbaserad jordad referenspunkt — som kortsluter bussomvandlarens isoleringsbarriär såsom visas i fig 3. “Tvåtråds”-alternativet kräver ingen isolering inom bussomvandlaren, men flertalet konstruktörer föredrar “tretråds”-alternativet eftersom det erbjuder mer flexibilitet för att motverka EMC. Oftast finns isolering i bussomvandlaren för att skydda kretsen från den höga spänning som transientströmmar kan ge på grund av händelser i externa nätverk eller omkoppling mellan olika kraftkällor. Medan isolerade omvandlare är mindre effektiva än oisolerade omvandlare, gör marknadens förväntningar och kostnaderna för tillverkningen att företagen erbjuder isolerade bussomvandlare med industristandardens isolering på 1 500 VDC, vilket överträffar behoven hos den övervägande majoriteten av tillämpningar utom de inom rena nischområden — framför allt IEEE 802.3af-kompatibla utomhuslänkar för kraft över ethernet som kräver 2 250 VDC.

Optimering av omvandlingseffektiviteten
Som visas i fig 4 inkluderar ett typiskt kort i ett IBA-system en bussomvandlare som omvandlar distributionsbusskraft till en mellanbussnivå som ett antal POL-omvandlare utnyttjar för att generera slutlig lastspänning. Detta sätt att kaskadkoppla DC/DC-omvandlare är kanske inte det mest intuitiva tillvägagångssättet för att maximera verkningsgraden eller minimera antalet komponenter. Det uppenbara alternativet är att tillhandahålla isolering och nedomvandling till en slutnivå i en komponent, som den klassiska modellen för arkitekturer för distribuerad kraft (DPA) visar. Det arrangemanget kan dock ge upphov till fler problem än det löser eftersom flera isolerade DC/DC-omvandlare per kort i sig är mer komplicerade, dyrare och mindre effektiva än en bussomvandlare och ett motsvarande komplement av oisolerade buckomvandlare. Dessutom gör saker som balansering av omvandlingseffektiviteten, ovillkorlig laststabilitet och prestanda för transientsvar att det är svårt att i ett enda steg hantera de mycket stora nedomvandlingsförhållanden som lågspänningsbaserade halvledarprocesser kräver.

Fig 3. Praktiska system kortsluter oftast en bussomvandlares isoleringsbarriär

Det är dock fortfarande svårt att specificera den nedomvandling från 48 VDC till en mellanbussnivå som är optimal för POL-omvandlarna. Eftersom halvledarspänningen faller och skapar större nedomvandlingproblem för POL-omvandlarna passar den mellanbussnivå på 12 VDC, som har sitt ursprung i matning av äldre 12/5 VDC komponenter, nu i allmänhet bäst för kort som drar 150 W eller mer. Erfarenheterna visar att 12 VDC eventuellt inte är lämpligast under cirka 150 W och att det inte ens är ett realistiskt alternativ under cirka 75 W, vilket gör att företagen erbjuder bussomvandlare med ett förinställt utspänningsområde såsom de alternativ på 9, 5 och 3,3 VDC som erbjuds av BMR453 och dess 1/8-brickvariant, BMR454. Förinställda värden fungerar vanligtvis bra för system med liten lastvariation, men konsekvenserna för system med kraftigt varierande belastning är uppenbara — för optimal verkningsgrad måste vi justera mellanbusspänningen när belastningskraven ändras.
Bästa sättet att implementera denna strategi för ett visst kraftsystem beror på faktorer såsom dess hårdvarukonfigurering, storleken på de förändringar i lastnivå som det utsätts för samt tidsrelaterade mönster för kraftbehoven som troligtvis kan vara relativt förutsägbara. Dessa faktorer behöver inte vara givna eftersom smarta algoritmer kontinuerligt kan minimera energiförluster vid oförutsägbara omständigheter utan att matningens stabilitet försämras, vilket är ett viktigt konstruktionsmål. Därmed är det inte troligt att aggressiva “bang-bang”-baserade styrstrategier kan matcha överordnad mjukvarustyrning som alltid gynnar krafttillgänglighet framför minimering, men som ändå kan svara på snabbt ökade belastningskrav.
Ett pragmatiskt sätt att utveckla överordnade styralgoritmer börjar med etableringen av ett referensvärde för effektförlusten genom att in- och utspännings- samt strömnivåerna mäts vid bussomvandlaren och vid samtliga POL-omvandlare via PMBus-kommandon när systemet är i drift, och eventuellt även att kretstemperaturen övervakas och korreleras i samtliga komponenter. I drift beräknar applikationsmjukvara effektförluster tills de når ett tröskelvärde som startar en optimeringscykel och trimmar busspänningen för att maximera verkningsgraden. Rutinen kontrollerar alltid först risken för överström och höjer, om så behövs, busspänningen till en säker nivå.

Fig 4. Ett IBA-systemkort med PMBus-styrning för kaskadkopplade DC/DC-omvandlare

Kurvorna i fig 5 visar hur effektförlusten förändras när BMR453s busspänning varieras från ingen last till de 300 W som dagens mycket tätpackade systemkort kan förbruka:
Det finns helt klart en brytpunkt där samtliga kombinationer av förhållanden strålar samman, över eller under vilken justeringar av busspänningen ger avsevärda energibesparingar som multipliceras av liknande besparingar i tillhörande system, och för kommunikationsinfrastrukturer över flera system som arbetar parallellt för att ge adekvat nätverkskapacitet. Ibland kallas detta “lampeffekten” — besparing av några få watt genom val av energisnåla lampor gör att konsumenterna känner sig nöjda med sig själva och minskar deras elkostnader, men de sammanlagda konsekvenserna för ett samhälles energiförbrukning är enorma.

Utvecklingen riktas om mot mjukvara
Såsom med alla andra klasser av programmerbar utrustning är den utveckling som resulterar i den fysiska hårdvaran osynlig, ur användarens synvinkel sett, i jämförelse med den mjukvaruutveckling som behövs för användning av komponenten. Därför investerar företagen i utvecklingsmiljöer som gör det lättare att lösa applikationsproblem, och kvaliteten hos dessa miljöer är ofta det som slutligen blir avgörande för en konstruktörs komponentval. Denna modell gäller framför allt digitala kraftomvandlare, PMBus-styrning och kraftstyrningsmetoder som många konstruktörer fortsätter att vara obekanta med.

Fig 5. Effektförlusterna i ett system beror på busspänning och belastningskrav

För att göra dessa frågor lättillgängliga för alla med en PC och kraftmatning erbjuder Ericsson en värderingssats som inkluderar de hård- och mjukvarudelar som behövs för att utforska tekniken. Som förväntat inkluderar den provexemplar av företagets digitala buss- och POL-omvandlare samt programvara som i första hand utformats för att utnyttja deras funktioner. Plattformen kan dock för ovanlighetens skull även kommunicera med vilken PMBus-kompatibel utrustning som helst och insamla långa utbyten av meddelanden, vilket gör att den är användbar för utveckling och avlusning av verkliga system.
Mer information finns på företagets webbplats www.ericsson.com/powermodules tillsammans med ett arkiv av material rörande digital kraftomvandling som är användbart som en allmän resurs för alla som vill lära sig mer om tekniken och tekniker för dess användning.
Patrick Le Fèvre, marknads- och kommunikationsdirektör, Ericsson Power Modules

Filed under: Stromforsorjning