Devido ao aumento do número e diversificação de canais e cargas exigidas pelas placas de instrumentação, as arquiteturas de alimentação distribuída tornaram-se essenciais. Um dispositivo de alimentação mais simples, centralizado e algo volumoso fornecia uma única tensão CC regulada, normalmente 48 V, para um sistema de distribuição na placa de circuito impresso. As placas de ensaio dedicavam uma parte da sua área superficial a conversores CC/CC, geralmente na sua periferia, e as suas saídas correspondiam de perto às necessidades dos circuitos de medição.
Os circuitos de teste requerem agora mais energia para operar, e os seus requisitos de tensão/corrente abrangem uma vasta gama de valores. Ao mesmo tempo, os instrumentos de teste não necessitam apenas de energia, mas também da capacidade de modular com precisão e rapidez múltiplas tensões de alimentação para caracterizar completamente as partições analógicas de um dispositivo em teste. O sistema de alimentação está a tornar-se um componente essencial do ATE (Equipamento de Teste Analógico) devido aos crescentes níveis de desempenho e densidade dos projetos VLSI (Jour Large Scale Instrument) ou SoC (System in a Computer) mais avançados.
A tendência para "maior densidade" e "maior dinâmica" é também complexa em tensões na gama dos 48 V, uma vez que correntes mais elevadas exigem secções transversais de cobre maiores em placas com maior densidade de dispositivos. Novos conceitos, como a arquitetura de potência fatorada e a distribuição de 400 V CC, estão atualmente a ser explorados.
De seguida, analisaremos como os requisitos das placas de instrumentação e dos dispositivos em teste afetam a arquitetura de energia distribuída no sistema ATE, bem como os principais parâmetros de projeto a considerar para otimizar a rede de distribuição no bastidor ATE, entre várias placas de instrumentação e até o circuito de medição.
Considerações sobre o projecto de redes de alimentação distribuídas
Como referido no parágrafo anterior e ilustrado na Figura 2, o fornecimento centralizado de energia foi largamente abandonado, sendo o fornecimento distribuído de energia com distribuição por backplane é a prática mais difundida actualmente. Os setores das telecomunicações e da comunicação de dados utilizam esta técnica há muito tempo e, em muitos aspetos, enfrentam os mesmos desafios que um ATE moderno. De facto, muitos dos chips de silício que os ATE necessitam de verificar e caracterizar estão implementados em sistemas de telecomunicações, computação e encaminhamento utilizados pelo setor das telecomunicações para movimentar um volume crescente de dados em redes com e sem fios em todo o mundo. A semelhança mais marcante entre estes dois "mundos" é a necessidade de sistemas de alimentação de energia densos e granulares, embora com objectivos diferentes: desempenho e flexibilidade para ATEs e custo total de propriedade para sistemas de telecomunicações e comunicação de dados.
Considerações de projeto numa perspetiva sistémica.
Lista de materiais
. Objectivo: minimizar a lista de materiais.
A lista de materiais para fontes de alimentação distribuídas é diretamente afetada por um parâmetro principal: a tensão de distribuição no backplane. A simples consideração das perdas de distribuição deve determinar a escolha da secção transversal do cobre. A principal preocupação dos ATE (Testadores Analógico-Terra) é evitar problemas térmicos; assim, as perdas de distribuição devem ser mantidas dentro de um intervalo facilmente gerido pelo sistema de refrigeração existente. Além disso, se for necessário ligar as placas de instrumentos enquanto estiverem em pleno funcionamento, deverão ser instalados dispositivos de OR apropriados em cada placa. A Tabela 1 fornece orientações derivadas de estudos realizados em centros de dados de telecomunicações. Embora os ATE que requerem mais de 20 kW sejam apenas aqueles que suportam elevados níveis de testes em paralelo, é evidente que os backplanes de 48 V já não são provavelmente a melhor opção, sendo expectável uma maior utilização dos backplanes de 400 V, com as suas correntes mais baixas, quando os 48 V são insuficientes.
Custos Operacionais, Eficiência e Perdas, Gestão Térmica.
Objectivo: Optimizar o sistema de gestão térmica controlando as perdas de distribuição.
Até à data, focámo-nos na distribuição da tensão no backplane. Embora a gestão térmica no backplane não seja geralmente muito difícil, o controlo do sistema de alimentação da placa de instrumentos pode ser bastante complexo. Além disso, os barramentos de alimentação nas placas de instrumentos ocupam espaço valioso na própria placa. Assim sendo, a escolha mais lógica é distribuir a tensão do backplane o mais próximo possível da carga, seja ela o circuito de medição ou um conversor CC/CC integrado. Naturalmente, se for utilizada uma baixa tensão no backplane — por exemplo, 12 V — o cobre na placa de circuito impresso não só deve ter a espessura correta, como também deve possuir um arrefecimento adequado.
Um aspeto menos óbvio é a dificuldade de compensar com precisão as quedas de tensão CC (I²R) e CA (L·di/dt) à medida que os níveis de corrente aumentam. Os projetistas podem necessitar de sobredimensionar as componentes de potência do conversor e adicionar redes de filtragem e desacoplamento para tensões de alimentação distribuídas abaixo dos 48 V.
Flexibilidade e Granularidade
: Permitir o máximo grau de flexibilidade no projecto e configuração da placa de teste.
As placas de instrumentos devem alimentar uma variedade cada vez maior de cargas. Assim sendo, os sistemas de alimentação com componentes granulares oferecem uma vantagem considerável ao projetista. Uma solução eficaz é adotar uma arquitetura de barramento intermédio, na qual a tensão do backplane é efetivamente reduzida para uma tensão de barramento "intermédia" mais baixa e, em seguida, regulada por um conversor síncrono abaixador padrão no ponto de carga.
Dentro do paradigma da flexibilidade, a reutilização de um projeto tornou-se uma opção comum para tirar partido da normalização em diversos sistemas energéticos. Os projetistas podem "adquirir e personalizar" inúmeros reguladores a partir de um conjunto de projetos válidos para atender a cargas elétricas específicas e posicioná-los o mais próximo possível das próprias cargas para maximizar o desempenho dinâmico. Os grupos de reguladores seriam alimentados por um único barramento intermédio com o suporte de um conversor de barramento. Embora uma boa prática de projeto envolva a adaptação da potência de saída do conversor às necessidades do regulador subsequente, existem normalmente restrições na distribuição efetiva do barramento intermédio "na placa". Para uma tensão de barramento intermédio de 12 V, distribuir mesmo apenas 300 W implica o fornecimento de 25 A, o que pode ser um desafio em projetos de alta densidade.
de Fiabilidade e Redundância
: Alcançar a máxima disponibilidade do sistema através de um design que melhore a fiabilidade e a redundância.
A rede de alimentação distribuída de energia é a espinha dorsal de equipamentos complexos, sistemas de medição de energia e dispositivos em teste. Uma vez que a vida útil de um ATE (Equipamento de Distribuição Assistida) é normalmente medida em décadas, é necessário identificar e monitorizar o tempo médio entre avarias (MTBF) de componentes críticos. Isto inclui:
Redução adequada da velocidade do ponto de vista elétrico e térmico – Embora a redução da velocidade seja geralmente considerada uma forma de reduzir o stress térmico, a densidade de corrente também pode ser útil para compreender os mecanismos de falha. Um exemplo é a eletromigração em pistas de placas de circuito impresso.
Redundância – Os componentes críticos cuja falha afeta a disponibilidade da máquina devem ser redundantes, devendo estar disponíveis peças de substituição para substituição no local.
de Reparabilidade e Telemetria de Diagnóstico
: Permitir o mais alto nível de modularidade e fornecer ao sistema opções de diagnóstico online durante todo o seu ciclo de vida.
A tecnologia de distribuição de backplane é inerentemente muito flexível, permitindo a substituição completa de cargas não críticas (como ventiladores) que podem ser trocadas no local enquanto o equipamento permanece operacional. No entanto, deve ser planeado o mesmo nível de flexibilidade para a outra extremidade da rede de distribuição, facilitando assim o acesso ao sistema de alimentação de energia de grandes dimensões.
O diagnóstico torna-se também um aspeto crucial. É necessário identificar e isolar rapidamente problemas em componentes ou subsistemas para proteger o sistema contra a propagação de falhas. Embora seja praticamente impossível com arquiteturas de energia centralizadas, tanto as arquiteturas de energia distribuídas como as fatoradas oferecem uma forma de automatizar o diagnóstico de redes de energia distribuídas. Tradicionalmente, as arquiteturas de energia distribuída utilizam uma técnica de "margem", na qual o conversor CC/CC remoto é controlado por uma sequência preestabelecida e uma rede de energia dedicada verifica a saída CC ou CA dinâmica resultante. Os componentes de energia modernos e as arquiteturas de energia factorizadas oferecem uma interface digital mais simples, onde os controlos de supervisão podem solicitar informações de estado em tempo real através de um barramento de interface série, normalmente I2C ou UART.
Fontes de Ruído e Imunidade
Objectivo: Minimizar a EMC e a EMI dentro do sistema, desacoplando a rede de energia distribuída para minimizar a interferência conduzida e irradiada.
A EMC e a EMI são comummente consideradas a "magia negra" do design de sistemas de alimentação. No entanto, algumas regras básicas aplicam-se geralmente. Em primeiro lugar, identifique a fonte de ruído; e segundo, contenha ou filtre o ruído o mais próximo possível da fonte (assumindo que o ruído não pode ser completamente evitado). Infelizmente, a rede de alimentação distribuída é uma forte candidata à disseminação de ruído conduzido dentro do sistema, bem como de ruído irradiado em torno do bastidor. Assim, é extremamente importante implementar uma filtragem adequada, se não ao nível de cada componente DC/DC, pelo menos em cada placa de instrumentação, de forma a evitar interferências na placa de circuito impresso.
Um problema particularmente incómodo é o ruído de baixa frequência gerado no backplane, bem como nos barramentos intermédios. Isto deve-se às interações entre as correntes de entrada de vários conversores, criando batimentos de baixa frequência. Os projetistas podem tentar evitar este problema garantindo que todos os componentes de corrente de comutação estão suficientemente confinados dentro de cada conversor.
Conclusão:
O projeto de uma rede de distribuição de energia representa um desafio até para os sistemas de teste mais avançados. Diversos aspetos devem ser cuidadosamente avaliados na arquitetura do sistema energético escolhido. Embora as arquiteturas de distribuição de energia baseadas em backplanes de 48 V sejam atualmente a opção mais comum, as arquiteturas avançadas, como a alimentação por fatorização a partir de uma distribuição CC de 400 V, estão a tornar-se cada vez mais valiosas, uma vez que melhoram a densidade do sistema, oferecendo maior eficiência e um maior nível de granularidade. A figura mostra um exemplo de um design padrão de dois estágios para alimentar o ponto de carga a partir de uma distribuição CC de 400 V: à esquerda, um módulo de entrada composto por dois conversores de barramento de 400 V (sob os dissipadores de calor e um único módulo mostrado junto ao clipe); na parte superior, um módulo de regulação de tensão (VRM) multifásico com o clássico conversor buck de 12 V.
Autor:
Maurizio Salato, Diretor de Engenharia de Sistemas, VICOR
