La décision repose souvent uniquement sur le coût du matériel, en négligeant de nombreux autres éléments.
Un module d'alimentation standard est un composant fabriqué en série, testé à 100 % et garanti conforme aux spécifications de la fiche technique. Un circuit d'alimentation discret se compose de nombreux composants montés sur une carte de circuit imprimé, avec l'électronique principale du système. Aucun autre test n'est effectué après l'assemblage et la finition de la carte. Le
PIM (module d'interface d'alimentation) est un module d'alimentation récemment ajouté à la gamme disponible sur le marché. La figure 1 présente un exemple de PIM.
Un module d'alimentation (PIM) intègre généralement le filtrage des entrées et la suppression des transitoires, la protection contre les courants d'appel, la fonctionnalité de remplacement à chaud, le maintien et l'arrêt en cas de sous-tension, une double alimentation, la surveillance, les alarmes et la gestion de l'alimentation via PMBus ou I2C. Le premier PIM disponible a été conçu pour les plateformes ouvertes basées sur la norme ATCA (Advanced Telecommunications Computing Architecture) afin de réduire les délais de mise sur le marché et d'optimiser l'espace sur la carte. Cependant, le concept et les fonctionnalités du PIM conviennent parfaitement à la plupart des cartes des équipements TIC (technologies de l'information et de la communication). Actuellement, ces fonctionnalités sont souvent implémentées par des composants discrets, mais cela pourrait changer avec l'évolution des plateformes propriétaires vers des plateformes ouvertes plus flexibles et basées sur des normes.
Il existe une grande variété de solutions d'interface d'alimentation pour cartes mères. Certaines sont très simples, ne comportant qu'un fusible et un filtrage EMI. D'autres sont plus complexes et intègrent une protection contre les surintensités, la fonctionnalité de remplacement à chaud, le maintien et l'arrêt en cas de sous-tension, une double alimentation, la surveillance, les alarmes et la gestion de l'alimentation.
Les circuits d'interface d'alimentation, réalisés avec des composants discrets sur la carte, constituent généralement une solution propriétaire adaptée aux différentes architectures d'alimentation distribuée des fabricants d'équipements TIC. Des initiatives de normalisation, telles que l'ATCA, ont été lancées, mais les solutions propriétaires restent les plus répandues.
L'utilisation d'un PIM au lieu d'une solution basée sur des circuits discrets offre des avantages significatifs, tels qu'une réduction du temps et du coût de conception, des coûts d'achat et d'acquisition inférieurs, un délai de mise sur le marché plus court et un espace réduit sur la carte requis pour la fonctionnalité d'interface d'alimentation.
Coûts de conception des circuits et systèmes :
Ce coût s’applique uniquement au circuit d’interface d’alimentation discret ; les utilisateurs de modules d’alimentation standard n’ont pas besoin de concevoir les circuits internes. Le coût de conception des circuits comprend :
- Conception et implantation des circuits
- Détermination des valeurs des composants
- Spécification des références et alternatives des composants
- Construction et test de prototypes, y compris les aspects thermiques et CEM
- Modification des circuits si nécessaire
- Documentation
Le temps et le coût varieront selon la disponibilité d'une conception de base ou la nécessité d'une conception entièrement nouvelle. Le temps de conception et le coût du matériel dépendent du nombre de composants et de la complexité du circuit d'interface d'alimentation discret. Le résultat dépend également des compétences du concepteur électrique. En effet, un ingénieur en conception d'alimentation qualifié est indispensable pour concevoir un circuit d'interface d'alimentation robuste et économique.
Toutefois, la conception du système d'alimentation engendrera des coûts, tant pour le circuit d'interface d'alimentation discret que pour la solution PIM standard. Ces coûts comprennent les ressources et les dépenses nécessaires à la conception :
- Distribution et découplage du courant continu
- Analyse thermique et refroidissement
- Sécurité et fusibles
- Contrôles et diagnostics
La conception du système d'alimentation sera beaucoup plus simple et rapide avec l'option PIM standard, car elle intègre des fonctions beaucoup plus avancées et une documentation plus abondante est disponible.
Coûts d'achat et d'acquisition :
Il s'agit des ressources et des coûts directs liés à l'acquisition des composants nécessaires à toute solution, incluant la sélection et l'agrément des fournisseurs, la négociation des prix, l'assurance qualité, la gestion des stocks, etc. Pour l'option PIM standard, un seul composant est généralement disponible : le module d'interface d'alimentation. De plus, dans ce cas, les heures de main-d'œuvre et les coûts directs dépendent du nombre de composants et de la complexité des circuits discrets de l'interface d'alimentation.
Les composants d'alimentation discrets, comme tout autre composant d'alimentation, ne font généralement pas partie de la nomenclature électronique des composants fonctionnels du système fournie par les fabricants de cartes système. Par conséquent, un certain niveau de connaissances et d'ingénieurs est nécessaire pour évaluer, former et certifier les composants et la solution dans chaque application.
Le délai de mise sur le marché
est un facteur crucial lié aux risques techniques et au fait que la conception initiale n'est pas toujours définitive. Des modifications et des refontes sont parfois nécessaires lorsque la solution ne fonctionne pas comme prévu. De nouveaux microprocesseurs et circuits intégrés spécifiques (ASIC) sont souvent développés en parallèle de la conception de la carte, avec une certaine incertitude quant aux exigences finales en matière de circuits d'alimentation et à la tension d'alimentation globale du système. L'accent étant mis sur les performances et la fonctionnalité de l'électronique applicative principale, la conception finale de l'alimentation de la carte ne peut être considérée comme achevée tant que les circuits principaux du système n'ont pas été testés et validés. Il existe donc un risque évident que les circuits d'alimentation et d'interface de la carte doivent être repensés bien plus tard dans le projet, ce qui multiplie les coûts et les délais de conception et entraîne des retards imprévus dans le lancement et la livraison de la nouvelle carte système. Naturellement, le risque de retards importants est plus élevé avec une solution d'interface d'alimentation discrète, car sa conception est moins bien définie et testée, et dépend de divers composants et fournisseurs. L'utilisation d'une solution PIM standard permet de mettre le système d'alimentation en service plus rapidement, ce qui peut potentiellement augmenter les ventes.
Le coût du délai de mise sur le marché est comptabilisé comme une perte de revenus et de bénéfices due à la baisse des ventes initiales si le lancement du produit est retardé en raison du plan de développement de la solution alimentaire. Cela représente non seulement une perte en termes de volume de ventes, mais aussi que le fait d'être parmi les premiers, voire les tout premiers, à arriver sur le marché peut représenter une part importante du chiffre d'affaires et des bénéfices totaux, du fait d'une concurrence moindre et, par conséquent, d'un prix de marché considérablement plus élevé. Le coût du délai de mise sur le marché peut constituer un montant substantiel par rapport à d'autres coûts à prendre en compte. Compte tenu des cycles de vie des produits actuellement courts, il pourrait bien s'avérer déterminant pour la rentabilité.
Coût du circuit imprimé
Le coût de la surface occupée par le PIM ou le circuit d'interface d'alimentation discret sur le circuit imprimé comprend :
- Coût du matériau du circuit imprimé lui-même
- Valeur de la surface du circuit imprimé pour le concepteur du système
La valeur que le concepteur de la carte mère accorde à ce composant peut varier considérablement. Dans certains systèmes à faible densité, ce coût est relativement faible. En revanche, pour les systèmes haute densité avec des composants très compacts, le concepteur peut souhaiter minimiser la surface occupée par l'alimentation et ses interfaces afin d'intégrer d'autres circuits applicatifs. Dans ce cas, le concepteur et le fabricant du système peuvent attribuer une valeur plus élevée à ce composant, ce qui se traduira par un surcoût pour les solutions d'alimentation à faible densité.
En pratique, cela représente l'un des plus grands défis pour les fabricants et fournisseurs de systèmes TIC. L'espace disponible est extrêmement limité et son coût très élevé. Les applications intérieures et extérieures exigent un encombrement minimal et des dimensions d'équipement réduites au minimum. Autre contrainte : l'électronique moderne à haute vitesse requiert des distances très courtes afin de minimiser la distorsion due à l'inductance des bornes et à la capacité de la carte. Par conséquent, certaines fonctionnalités doivent être intégrées directement sur la carte.
Les cartes de circuits imprimés sont fabriquées selon des dimensions standardisées, et les armoires et étagères sont conçues pour des dimensions spécifiques. Il est donc impossible d'augmenter la taille de la carte dans un système ou un équipement donné ; la seule solution consiste à minimiser la taille et le nombre de composants. Ceci favorise une meilleure intégration et une taille d'encapsulation plus petite, mais implique simultanément un plus grand nombre de broches par microprocesseur ou ASIC. Il en résulte une carte très coûteuse, non seulement en raison du prix élevé de l'électronique système, mais aussi du nombre extrêmement important de couches nécessaires à la réalisation des fonctionnalités. Il n'est pas rare de trouver jusqu'à 30 ou 40 couches dans les cartes électroniques de pointe.
Tout cela signifie que l'espace sur la carte est très coûteux dans les équipements TIC modernes, et que tout ce qui ne fait pas partie de l'électronique principale du système nécessaire à son fonctionnement doit être limité au strict minimum en termes d'espace sur la carte.
Exemples d’application
Le premier exemple est une carte avec un circuit d’interface d’alimentation conventionnel (voir figure 2).
L'interface d'alimentation, conçue il y a longtemps, est utilisée depuis des années sur de nombreuses cartes, car elle fonctionne. Faute d'ingénieurs spécialisés en alimentation formés pour l'améliorer, les composants sont anciens et coûteux, et le circuit occupe une surface importante. Face à la demande croissante de disponibilité système et de remplacement à chaud, l'interface d'alimentation doit être repensée pour intégrer la gestion des alarmes et de l'alimentation. Un PIM (Power Management Interface) permettrait de résoudre tous ces problèmes à moindre coût et avec un encombrement réduit.
Le deuxième exemple (voir figure 3) illustre l'espace qui peut être économisé sur la carte lors de l'utilisation du nouveau module micro-PIM PIM4006 au format brique 1/16 (voir figure 4), qui, en plus des circuits d'entrée conventionnels, comprend une interface I2C.
Ce module a été conçu pour répondre aux exigences les plus strictes en matière de disponibilité et de robustesse du système. Il intègre également une interface de communication numérique permettant aux architectes système de surveiller l'état des applications par logiciel. L'utilisation de technologies de pointe pour optimiser le filtrage a permis de réaliser d'importantes économies d'espace sur la carte (sur les deux faces). Cet espace peut être mis à profit pour accroître la capacité de traitement du système, simplifier la gestion de l'énergie et accélérer la mise sur le marché.
Dans ce cas, un module d'alimentation intégré (PIM) permet également de réaliser des économies substantielles d'espace sur la carte et de coûts. Ceci est rendu possible grâce à une conception optimisée par des ingénieurs spécialisés et expérimentés en conception d'alimentation. Le PIM utilise des composants plus compacts et des solutions avancées, tout en réduisant la nomenclature. La gestion de l'alimentation et la communication interne permettent de diminuer le temps de rétention requis, minimisant ainsi la capacité nécessaire. Il en résulte un PIM occupant au maximum un tiers de la surface requise par une conception discrète.
La standardisation de l'alimentation distribuée pour les équipements TIC continuera de répondre aux besoins des opérateurs de télécommunications et de communication de données en tant qu'option d'alimentation alternative, grâce à son coût inférieur.
Les nouveaux PIM en cours de développement s'adaptent à différentes normes et niveaux de puissance distribuée, ainsi qu'à des solutions propriétaires, ce qui en fait une option viable dans la plupart des applications.
Auteur:
Patrick Le Fèvre, directeur marketing et communication, Ericsson Power Modules
