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Módulo de interface de alimentación para ahorrar un valioso espacio en la placa y reducir el plazo de comercialización

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La comparación entre diferentes soluciones de alimentación en la placa raramente aparece entre las prioridades para un diseñador de placas. Los diseñadores recurren a menudo a una solución ya existente ya que todos los recursos disponibles y el tiempo se destinan a la funcionalidad del diseño del sistema. Sin embargo, el tiempo destinado a la solución de alimentación afectará al coste, la compra y la adquisición, y disminuirá los riesgos de tipo técnico y el coste del rediseño. Y lo que es más importante, también tendrá un impacto enorme y revertirá en una reducción del plazo de comercialización y un aumento de la densidad de encapsulado. Las principales alternativas son los módulos de alimentación estándar y los componentes discretos de potencia.

Modulo1La decisión se basa a menudo únicamente en el coste del hardware, dejando de lado muchos de los elementos restantes.


Un módulo de alimentación estándar es un dispositivo similar a un componente y producido en grandes cantidades, comprobado al 100% y garantizado para el cumplimiento de la especificación de la hoja de datos. Un circuito discreto de potencia consiste en muchos componentes montados sobre una placa de circuito impreso junto con la electrónica del sistema principal. No se realizan otras pruebas además de la placa una vez montada y acabada.
Una reciente incorporación a la oferta de módulos de alimentación disponibles en el mercado es el PIM (Power Interface Module). La figura 1 muestra un ejemplo de PIM.


Un PIM incorpora generalmente el filtrado de entrada y la supresión de transitorios, la protección frente a corriente de irrupción y la funcionalidad de intercambio en pleno funcionamiento (hot swap), retención y apagado por subtensión, doble alimentación, supervisión, alarmas y gestión de la alimentación basada en PMBus o I2C. El primer PIM disponible fue destinado a plataformas abiertas basadas en el estándar ATCA (Advanced Telecommunications Computing Architecture) para reducir el plazo de comercialización y ahorrar un valioso espacio en la placa; pero el concepto y la funcionalidad de PIM en realidad resultan muy apropiados para la mayoría de placas en equipos TIC (tecnología de información y comunicaciones). A día de hoy esta funcionalidad se obtiene a menudo mediante soluciones discretas, pero esta situación puede cambiar debido a la evolución de plataformas propias a plataformas abiertas más flexibles basadas en estándares.


Existe una gran variedad de soluciones de interface de alimentación de entrada para placas. Algunas de ellas son muy sencillas y tan solo contienen un fusible y filtrado de EMI. Otras son más complejas ya que incorporan protección frente a corriente de irrupción y funcionalidad de intercambio en pleno funcionamiento (hot swap), retención y apagado por subtensión, doble alimentación, supervisión, alarma y gestión de la alimentación.


La circuitería de interface de potencia realizada con componentes discretos en la placa suele ser una solución propia que se adapta a diferentes arquitecturas de alimentación distribuida de sistemas de los fabricantes de equipos TIC. Se han puesto en marcha iniciativas de estandarización, como ATCA, pero las soluciones propias son las más habituales.


La utilización de un PIM en lugar de una solución basada en un circuito discreto aporta importantes ventajas, como la reducción del tiempo y el coste del diseño, del coste de compra y adquisición, del plazo de comercialización y del espacio ocupado en la placa para la funcionalidad del interface de alimentación.


Coste de diseño del circuito y el sistema
Este coste solo se aplica al circuito discreto de interface de potencia; el usuario de módulos de alimentación estándar no necesita diseñar el circuito interno. El coste de diseño del circuito incluye estos elementos:
-    Diseño y trazado del circuito
-    Determinar los valores de los componentes
-    Especificar los números de referencia de los componentes y sus alternativas
-    Realizar y probar prototipos, incluyendo aspectos térmicos y EMC
-    Modificar los circuitos en función de las necesidades
-    Documentación

 

El tiempo y el coste variarán en función de la disponibilidad de un diseño básico, o de que exista la necesidad de un diseño completamente nuevo. Las horas dedicadas al diseño y el coste del hardware dependen a su vez del número de componentes y de la complejidad del circuito discreto de interface de alimentación. El resultado también depende de la capacidad del diseñador eléctrico. De hecho, se necesita a un ingeniero de diseño de potencia experto para diseñar un circuito de interface de potencia robusto y económico.
No obstante, habrá un coste del diseño del sistema de alimentación tanto para el circuito discreto de interface de potencia y para la solución PIM estándar. El coste del diseño del sistema de alimentación consiste en los recursos necesarios y los costes para el diseño de:

 

-    Distribución de CC y desacoplamiento
-    Análisis térmico y refrigeración
-    Seguridad y fusibles
-    Controles y diagnóstico

El diseño del sistema de alimentación será mucho más sencillo y rápido cuando se utilice la opción de PIM estándar ya que incorpora funciones mucho más avanzadas y hay más literatura disponible.

Modulo2
Costes de compra y adquisición
Se trata de los recursos y del coste directo para la compra de los componentes necesarios para cualquier solución, incluyendo la selección y la homologación del proveedor, la negociación de precios, la garantía de calidad, el control de existencias, etc. Para la opción de PIM estándar generalmente existe un solo componente disponible; el módulo de interface de alimentación. Asimismo, en este caso las horas ocupadas y el coste directo dependen del número de componentes y la complejidad del circuito discreto del interface de alimentación.


Los componentes discretos de potencia, al igual que cualquier otro componente de potencia, no forman parte generalmente de la lista de materiales de la electrónica de funcionalidad del sistema de los fabricantes de tarjetas del sistema, y por tanto se necesita un determinado nivel de conocimientos y de ingenieros para evaluar, capacitar y homologar los componentes y la solución en cada aplicación.


Coste del plazo de comercialización
Se trata de un aspecto extremadamente importante que está relacionado con el riesgo desde un punto de vista técnico y con el hecho de que el primer diseño no es siempre el definitivo. A veces es preciso introducir cambios en la ingeniería y rediseñar cuando la solución no responde como se esperaba. Los nuevos microprocesadores y ASIC a menudo se desarrollan en paralelo al diseño de la placa con cierta incertidumbre acerca de los requisitos para el circuito de potencia final y la tensión de alimentación para el sistema en su conjunto. Dado que ha de centrarse en las prestaciones y la funcionalidad de la electrónica de la aplicación primaria, el diseño de la alimentación de la tarjeta final no se puede dar por finalizado hasta haber comprobado y verificado la circuitería del sistema principal. Esto significa que existe un riesgo aparente de que haya que rediseñar la circuitería de alimentación y de interface de la placa en una fase muy posterior del proyecto, multiplicando así el coste y el tiempo de diseño, lo cual provoca a su vez retrasos imprevistos en el lanzamiento y la entrega de la nueva tarjeta del sistema. Como es natural, existe un mayor riesgo de que se produzcan retrasos importantes cuando se utiliza una solución discreta de interface de alimentación ya que el diseño no está tan bien definido o comprobado y depende de diversos componentes y proveedores. Al utilizar una solución PIM estándar se puede lograr que el sistema de alimentación esté disponible antes y por tanto que se puedan aumentar las ventas.


Modulo3El coste del plazo de comercialización se contabiliza como facturación y beneficios que pierden debido a la caída de las ventas de productos en una primera etapa si la introducción del producto se ve retrasada debido al plan de desarrollo de la solución de alimentación. Esto no solo representa una pérdida en el número de productos vendidos, sino que también ser uno de los primeros, o mejor aún el primero, en llegar al mercado, puede suponer una gran parte de la facturación y del beneficio total ya que hay menos competencia y por tanto un precio de mercado notablemente más elevado. El coste del plazo de comercialización puede ser una cantidad muy apreciable si se compara con otros costes a tener en cuenta. Con los ciclos de vida del producto tan cortos que existen en la actualidad, esto podría ser muy bien el factor determinante para obtener beneficios.


Coste de la placa de circuito impreso
El coste de la superficie que ocupan el PIM o el circuito discreto de interface de alimentación en la tarjeta del circuito consiste en:

 

-    Coste del material de la propia placa
-    Valor de la superficie de la placa para el diseñador del sistema

El valor para el diseñador de la placa del sistema puede variar mucho. En algunos sistemas, con placas menos densas, este coste puede ser relativamente bajo. Para sistemas de alta densidad con encapsulados muy cercanos entre sí, es posible que el diseñador del sistema quiera minimizar la superficie ocupada por la potencia y las funciones de interface de alimentación para incluir otra circuitería de aplicación del sistema. En este caso, el diseñador de la tarjeta del sistema y el fabricante del sistema pueden asignar un mayor número a este valor, que servirá para imponer una penalización en el coste de las soluciones de alimentación con una menor densidad.


Modulo4En la práctica esto se ha convertido en uno de los mayores desafíos para los fabricantes y proveedores de sistemas TIC. El espacio disponible es muy limitado en todas partes y su coste es muy alto. Las aplicaciones en interior y exterior exigen ocupar el mínimo espacio y las dimensiones más pequeñas del equipamiento que sea posible. Otra limitación es que la electrónica moderna de alta velocidad exige unas distancias muy pequeñas para minimizar la distorsión provocada por la inductancia del terminal y la capacidad de la placa. Por tanto se debe incluir una cierta funcionalidad en la misma placa.
Las placas de circuito impreso se fabrican en determinados tamaños estandarizados y el armario y los estantes del equipo están diseñados para unos tamaños determinados de placa. Por tanto no es posible aumentar el tamaño de la placa en un sistema o equipo determinado; la única solución pasa por minimizar el tamaño y el número de componentes en la placa. Esto contribuye a elevar la integración y a disminuir el tamaño de encapsulado del dispositivo, pero al mismo tiempo la necesidad de una mayor funcionalidad implica un mayor número de patillas en cada encapsulado de microprocesador o ASIC. El resultado es una placa muy cara, no solo debido a la costosa electrónica del sistema sino también al número extremadamente grande de capas que se necesitan para lograr la funcionalidad. No es raro encontrar hasta 30-40 capas en las placas avanzadas para TIC.


Todo esto significa que el espacio ocupado en la placa es muy caro en los equipos TIC modernos y todo aquello que no forme parte de la electrónica del sistema principal necesaria para la funcionalidad necesaria debe limitarse a un mínimo absoluto por lo que se refiere al espacio ocupado en la placa.


Ejemplos de aplicación
El primer ejemplo es una placa con circuitería convencional de interface de alimentación (ver figura 2).


El interface de alimentación se diseñó hace mucho tiempo y se ha utilizado en muchas tarjetas diferentes durante muchos años porque funciona y además no hay ningún ingeniero de diseño de potencia capacitado para introducir mejoras. Los componentes son viejos y costosos, y la circuitería ocupa una superficie bastante grande de la placa. También existe una creciente demanda de disponibilidad del sistema y el requisito de intercambio en pleno funcionamiento (hot-swap), por lo que el interface de alimentación se debe rediseñar e incorporar alarma y gestión de potencia. Un PIM resolverá todas estas cuestiones con un coste más bajo y con una notable reducción del espacio ocupado en la placa.


El segundo ejemplo (ver figura 3) ilustra el espacio que se puede ahorrar en la placa cuando se utiliza el nuevo módulo micro-PIM PIM4006 en formato de 1/16 de brick (ver figura 4), que además de la circuitería convencional de entrada incluye un interface I2C.


Este módulo se ha desarrollado para cubrir las mayores exigencias en cuanto a disponibilidad y robustez del sistema y también incluye un interface de comunicación digital para que los arquitectos del sistema supervisen el estado de la aplicación mediante software. El uso de la tecnología más avanzada para aumentar la cantidad de filtrado ha dado como resultado un significativo ahorro de espacio en la placa (a ambos lados de la placa). Este espacio se puede emplear para una mayor capacidad de proceso del sistema así como para simplificar la gestión de potencia y para acortar el plazo de comercialización.


En este caso un PIM también puede ahorrar un valioso espacio y coste de la placa. Ello es posible gracias a un diseño optimizado realizado por ingenieros de diseño de potencia especializados y experimentados. El PIM utiliza componentes con un encapsulado más pequeño y soluciones avanzadas, pero la lista de materiales sigue siendo reducida. La gestión de potencia y la comunicación interna posibilitan la reducción del tiempo de retención necesario, minimizando así la capacidad. El resultado es un PIM que ocupa como máximo tan solo un tercio de la superficie que necesitaría un diseño discreto.
La estandarización en la alimentación distribuida de equipamiento TIC seguirá cumpliendo las exigencias de los operadores de telecomunicaciones y comunicaciones de datos como segunda opción de suministro y por su menor coste.


Los nuevos PIM en fase de desarrollo se adaptan a diferentes estándares de alimentación distribuida y niveles de potencia, así como a soluciones propias, por lo que se convierten en una opción viable en la mayoría de aplicaciones.

Autor:

Patrick Le Fèvre, Director de Marketing y Comunicación, Ericsson Power Modules

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