La decisione si basa spesso esclusivamente sul costo dell'hardware, tralasciando molti degli altri elementi.
Un modulo di alimentazione standard è un dispositivo simile a un componente, prodotto in serie, testato al 100% e garantito per soddisfare le specifiche del datasheet. Un circuito di alimentazione discreto è costituito da molti componenti montati su un circuito stampato insieme all'elettronica principale del sistema. Non vengono eseguiti ulteriori test oltre a quelli sulla scheda una volta assemblata e rifinita.
Una recente aggiunta alla gamma di moduli di alimentazione disponibili sul mercato è il PIM (Power Interface Module). La Figura 1 mostra un esempio di PIM.
Un PIM (Power-Input Module) in genere incorpora filtraggio in ingresso e soppressione dei transitori, protezione dalla corrente di spunto, funzionalità hot-swap, mantenimento e spegnimento per sottotensione, doppia alimentazione, monitoraggio, allarmi e gestione dell'alimentazione basata su PMBus o I2C. Il primo PIM disponibile è stato progettato per piattaforme aperte basate sullo standard ATCA (Advanced Telecommunications Computing Architecture) per ridurre i tempi di commercializzazione e risparmiare spazio prezioso sulla scheda; tuttavia, il concetto e la funzionalità del PIM sono in realtà ben adatti alla maggior parte delle schede nelle apparecchiature ICT (tecnologie dell'informazione e della comunicazione). Attualmente, questa funzionalità è spesso realizzata tramite soluzioni discrete, ma questo potrebbe cambiare con l'evoluzione delle piattaforme proprietarie verso piattaforme aperte più flessibili e basate su standard.
Esiste un'ampia varietà di soluzioni per l'interfaccia di alimentazione in ingresso delle schede madri. Alcune sono molto semplici e contengono solo un fusibile e un filtro EMI. Altre sono più complesse e integrano protezione dalle correnti di spunto, funzionalità hot-swap, blocco e spegnimento in caso di sottotensione, doppia alimentazione, monitoraggio, allarmi e gestione dell'alimentazione.
I circuiti di interfaccia di alimentazione, realizzati con componenti discreti sulla scheda, sono in genere soluzioni proprietarie adattate alle diverse architetture di alimentazione distribuita dei produttori di apparecchiature ICT. Sono state avviate iniziative di standardizzazione, come ATCA, ma le soluzioni proprietarie rimangono le più comuni.
L'utilizzo di un PIM al posto di una soluzione basata su circuiti discreti offre vantaggi significativi, come tempi e costi di progettazione ridotti, minori costi di acquisto e acquisizione, tempi di commercializzazione più rapidi e minore spazio richiesto sulla scheda per la funzionalità di interfaccia di alimentazione.
Costi di progettazione di circuiti e sistemi:
questo costo si applica solo al circuito di interfaccia di alimentazione discreto; gli utenti di moduli di alimentazione standard non devono progettare la circuiteria interna. Il costo di progettazione del circuito comprende quanto segue:
- Progettazione e layout del circuito
- Determinazione dei valori dei componenti
- Specificazione dei codici dei componenti e delle alternative
- Costruzione e collaudo di prototipi, inclusi gli aspetti termici e di compatibilità elettromagnetica (EMC)
- Modifica dei circuiti secondo necessità
- Documentazione
I tempi e i costi variano a seconda della disponibilità di un progetto di base o della necessità di un progetto completamente nuovo. Le ore di progettazione e i costi dell'hardware dipendono dal numero di componenti e dalla complessità del circuito di interfaccia di potenza discreto. Il risultato dipende anche dalla competenza del progettista elettrico. Infatti, è necessario un ingegnere specializzato in progettazione di sistemi di potenza per progettare un circuito di interfaccia di potenza robusto ed economicamente vantaggioso.
Tuttavia, sia per il circuito di interfaccia di potenza discreto che per la soluzione PIM standard, ci sarà un costo di progettazione del sistema di alimentazione. Il costo di progettazione del sistema di alimentazione comprende le risorse e i costi necessari per la progettazione di:
- Distribuzione e disaccoppiamento in corrente continua
- Analisi termica e raffreddamento
- Sicurezza e fusibili
- Controlli e diagnostica
La progettazione del sistema di alimentazione sarà molto più semplice e veloce utilizzando l'opzione PIM standard, poiché incorpora funzioni molto più avanzate ed è disponibile una documentazione più ampia.
Costi di acquisto e acquisizione:
si tratta delle risorse e dei costi diretti per l'acquisto dei componenti necessari per qualsiasi soluzione, inclusi la selezione e l'approvazione dei fornitori, la negoziazione dei prezzi, il controllo qualità, la gestione delle scorte, ecc. Per l'opzione PIM standard, in genere è disponibile un solo componente: il modulo di interfaccia di alimentazione. Inoltre, in questo caso, le ore di manodopera e i costi diretti dipendono dal numero di componenti e dalla complessità dei circuiti discreti dell'interfaccia di alimentazione.
I componenti di potenza discreti, come qualsiasi altro componente di potenza, non sono generalmente inclusi nella distinta base dell'elettronica di sistema dei produttori di schede madri; pertanto, è necessario un certo livello di conoscenza e di ingegneri per valutare, formare e certificare i componenti e la soluzione in ogni singola applicazione.
Il time-to-market
è un aspetto estremamente importante, legato al rischio tecnico e al fatto che il progetto iniziale non è sempre definitivo. Talvolta, modifiche e riprogettazioni ingegneristiche si rendono necessarie quando la soluzione non funziona come previsto. I nuovi microprocessori e ASIC vengono spesso sviluppati in parallelo con la progettazione della scheda, con una certa incertezza riguardo ai requisiti finali dei circuiti di alimentazione e alla tensione di alimentazione complessiva del sistema. Poiché l'attenzione deve essere focalizzata sulle prestazioni e sulla funzionalità dell'elettronica applicativa principale, la progettazione finale dell'alimentazione della scheda non può essere considerata completa finché i circuiti principali del sistema non sono stati testati e verificati. Ciò significa che esiste un rischio concreto che i circuiti di alimentazione e di interfaccia della scheda debbano essere riprogettati in una fase successiva del progetto, moltiplicando i costi e i tempi di progettazione e causando, a sua volta, ritardi imprevisti nel lancio e nella consegna della nuova scheda di sistema. Naturalmente, il rischio di ritardi significativi è maggiore quando si utilizza una soluzione di interfaccia di alimentazione discreta, poiché il progetto non è altrettanto ben definito o testato e si basa su diversi componenti e fornitori. L'utilizzo di una soluzione PIM standard può consentire di mettere in funzione il sistema di alimentazione più rapidamente, potenzialmente aumentando le vendite.
Il costo del time-to-market viene contabilizzato come perdita di ricavi e profitti dovuta al calo delle vendite del prodotto nella fase iniziale, qualora il lancio del prodotto subisca ritardi a causa del piano di sviluppo della soluzione alimentare. Ciò non solo rappresenta una perdita nel numero di prodotti venduti, ma significa anche che essere tra i primi, o addirittura i primissimi, ad arrivare sul mercato può rappresentare una parte significativa dei ricavi e dei profitti totali, poiché la concorrenza è minore e, di conseguenza, il prezzo di mercato è considerevolmente più elevato. Il costo del time-to-market può essere una cifra considerevole rispetto ad altri costi da considerare. Con gli attuali cicli di vita dei prodotti così brevi, questo potrebbe rivelarsi il fattore determinante per il raggiungimento della redditività.
Costo del circuito stampato
Il costo della superficie occupata dal PIM o dal circuito di interfaccia di alimentazione discreto sul circuito stampato è costituito da:
- Costo del materiale del circuito stampato
- Valore della superficie del circuito stampato per il progettista del sistema
Il valore per il progettista della scheda madre può variare considerevolmente. In alcuni sistemi con schede a bassa densità, questo costo può essere relativamente basso. Per i sistemi ad alta densità con package ravvicinati, il progettista del sistema potrebbe voler ridurre al minimo l'area occupata dalle funzioni di alimentazione e interfaccia di alimentazione per fare spazio ad altri circuiti applicativi del sistema. In questo caso, il progettista della scheda madre e il produttore del sistema potrebbero attribuire un valore maggiore a questo componente, il che comporterebbe un costo maggiore per le soluzioni di alimentazione a bassa densità.
In pratica, questa è diventata una delle maggiori sfide per i produttori e i fornitori di sistemi ICT. Lo spazio disponibile è estremamente limitato ovunque e il suo costo è molto elevato. Le applicazioni per interni ed esterni richiedono il minimo ingombro possibile e le dimensioni più ridotte possibili delle apparecchiature. Un'ulteriore limitazione è rappresentata dal fatto che l'elettronica moderna ad alta velocità richiede distanze molto brevi per minimizzare la distorsione causata dall'induttanza dei terminali e dalla capacità del circuito stampato. Pertanto, una certa quantità di funzionalità deve essere integrata direttamente sulla scheda.
I circuiti stampati sono prodotti in dimensioni standardizzate specifiche e gli armadi e i ripiani per le apparecchiature sono progettati per dimensioni specifiche delle schede. Di conseguenza, non è possibile aumentare le dimensioni della scheda in un dato sistema o apparecchiatura; l'unica soluzione è minimizzare le dimensioni e il numero di componenti sulla scheda. Ciò contribuisce a una maggiore integrazione e a dimensioni più ridotte del package del dispositivo, ma allo stesso tempo, la necessità di una maggiore funzionalità implica un numero maggiore di pin su ciascun microprocessore o package ASIC. Il risultato è una scheda molto costosa, non solo a causa dell'elevato costo dell'elettronica di sistema, ma anche a causa dell'elevatissimo numero di strati necessari per ottenere la funzionalità desiderata. Non è raro trovare fino a 30-40 strati nelle schede ICT avanzate.
Tutto ciò significa che lo spazio sulla scheda è molto costoso nelle moderne apparecchiature ICT, e tutto ciò che non fa parte dell'elettronica principale del sistema necessaria per la funzionalità richiesta deve essere ridotto al minimo indispensabile in termini di spazio sulla scheda.
Esempi di applicazione
Il primo esempio è una scheda con circuiti di interfaccia di alimentazione convenzionali (vedere figura 2).
L'interfaccia di alimentazione è stata progettata molto tempo fa ed è stata utilizzata su diverse schede per molti anni perché funzionava, e non ci sono ingegneri specializzati nella progettazione di sistemi di alimentazione in grado di apportare miglioramenti. I componenti sono vecchi e costosi e i circuiti occupano una porzione piuttosto ampia della scheda. Inoltre, cresce la richiesta di disponibilità del sistema e di funzionalità hot-swapping, quindi l'interfaccia di alimentazione deve essere riprogettata per integrare la gestione degli allarmi e dell'alimentazione. Un PIM (Power Interface Module) risolverebbe tutti questi problemi a un costo inferiore e con una significativa riduzione dello spazio occupato sulla scheda.
Il secondo esempio (vedi figura 3) illustra lo spazio che si può risparmiare sulla scheda utilizzando il nuovo modulo micro-PIM PIM4006 in formato brick 1/16 (vedi figura 4), che oltre ai circuiti di ingresso convenzionali include un'interfaccia I2C.
Questo modulo è stato sviluppato per soddisfare i più elevati requisiti di disponibilità e robustezza del sistema e include anche un'interfaccia di comunicazione digitale che consente agli architetti di sistema di monitorare lo stato dell'applicazione tramite software. L'utilizzo di tecnologie all'avanguardia per aumentare la capacità di filtraggio ha permesso un notevole risparmio di spazio sulla scheda (su entrambi i lati). Questo spazio può essere utilizzato per una maggiore capacità di elaborazione del sistema, una gestione dell'alimentazione semplificata e tempi di commercializzazione più rapidi.
In questo caso, un PIM può anche far risparmiare spazio prezioso sulla scheda e ridurre i costi. Ciò è possibile grazie a una progettazione ottimizzata da ingegneri specializzati ed esperti nella progettazione di sistemi di alimentazione. Il PIM utilizza componenti con package più piccoli e soluzioni avanzate, ma la distinta base rimane ridotta. La gestione dell'alimentazione e la comunicazione interna consentono di ridurre il tempo di ritenzione richiesto, minimizzando così la capacità. Il risultato è un PIM che occupa al massimo solo un terzo della superficie che sarebbe necessaria per una soluzione a componenti discreti.
La standardizzazione nell'alimentazione distribuita per apparecchiature ICT continuerà a soddisfare le esigenze degli operatori di telecomunicazioni e di comunicazione dati come seconda opzione di alimentazione grazie al suo costo inferiore.
I nuovi PIM in fase di sviluppo si adattano a diversi standard e livelli di potenza per la distribuzione dell'energia, nonché a soluzioni proprietarie, rendendoli un'opzione valida nella maggior parte delle applicazioni.
Autore:
Patrick Le Fèvre, Direttore Marketing e Comunicazione, Ericsson Power Modules
