A decisão baseia-se muitas vezes unicamente no custo do hardware, deixando de lado muitos dos restantes elementos.
Um módulo de potência padrão é um dispositivo semelhante a um componente, produzido em massa, 100% testado e com garantia de conformidade com as especificações da folha de dados. Um circuito de potência discreto consiste em muitos componentes montados numa placa de circuito impresso, juntamente com a eletrónica principal do sistema. Não são realizados testes adicionais para além da placa, uma vez que esta esteja montada e finalizada.
Uma adição recente à gama de módulos de potência disponíveis no mercado é o PIM (Power Interface Module). A Figura 1 mostra um exemplo de um PIM.
Um PIM (Personal Information Module) incorpora normalmente filtragem de entrada e supressão de transitórios, proteção contra corrente de pico, funcionalidade hot-swap, retenção e desligamento por subtensão, alimentação dupla, monitorização, alarmes e gestão de energia baseada em PMBus ou I2C. O primeiro PIM disponível foi concebido para plataformas abertas baseadas na norma ATCA (Advanced Telecommunications Computing Architecture) para reduzir o tempo de lançamento no mercado e poupar espaço valioso na placa; no entanto, o conceito e a funcionalidade do PIM são, na realidade, adequados para a maioria das placas em equipamentos TIC (tecnologia de informação e comunicação). Atualmente, esta funcionalidade é frequentemente alcançada através de soluções discretas, mas isto pode mudar à medida que as plataformas proprietárias evoluem para plataformas abertas mais flexíveis e baseadas em normas.
Existe uma grande variedade de soluções de interface de alimentação para motherboards. Algumas são muito simples, contendo apenas um fusível e filtragem EMI. Outras são mais complexas, incorporando proteção contra corrente de pico, funcionalidade hot-swap, retenção e desligamento por subtensão, fontes de alimentação duplas, monitorização, alarmes e gestão de energia.
Os circuitos de interface de energia implementados com componentes discretos na placa são normalmente soluções proprietárias adaptadas às diferentes arquiteturas de energia distribuída dos fabricantes de equipamentos TIC. Iniciativas de normalização, como a ATCA, foram lançadas, mas as soluções proprietárias são ainda as mais comuns.
A utilização de um PIM em vez de uma solução baseada em circuitos discretos oferece vantagens significativas, tais como a redução do tempo e do custo de design, menores custos de compra e aquisição, tempo de lançamento no mercado mais rápido e menor espaço na placa necessário para a funcionalidade da interface de alimentação.
Custos de Projecto de Circuitos e Sistemas:
Este custo aplica-se apenas ao circuito de interface de alimentação discreta; os utilizadores de módulos de alimentação standard não precisam de conceber os circuitos internos. O custo de projeto de circuitos inclui o seguinte:
- Projeto e disposição do circuito
- Determinação dos valores dos componentes
- Especificação dos números de peça e das alternativas dos componentes
- Construção e teste de protótipos, incluindo aspetos térmicos e de EMC
- Modificação de circuitos conforme necessário
- Documentação
O tempo e o custo variam consoante a disponibilidade de um projeto base ou se é necessário um projeto completamente novo. As horas de projeto e os custos de hardware dependem do número de componentes e da complexidade do circuito de interface de potência discreto. O resultado depende também da habilidade do projetista elétrico. De facto, é necessário um engenheiro de design de potência qualificado para projetar um circuito de interface de potência robusto e económico.
No entanto, haverá um custo de design do sistema de potência tanto para o circuito de interface de potência discreto como para a solução PIM padrão. O custo de projeto do sistema de energia consiste nos recursos e custos necessários para o projeto:
- Distribuição e desacoplamento de corrente contínua
- Análise térmica e refrigeração
- Segurança e fusíveis
- Controlos e diagnósticos
O design do sistema de alimentação será muito mais simples e rápido ao utilizar a opção PIM padrão, uma vez que incorpora funções muito mais avançadas e existe mais documentação disponível.
Custos de Compra e Aquisição:
São os recursos e custos diretos para a compra dos componentes necessários para qualquer solução, incluindo a seleção e aprovação de fornecedores, negociação de preços, garantia de qualidade, controlo de stocks, etc. Para a opção PIM padrão, existe normalmente apenas um componente disponível: o módulo de interface de alimentação. Além disso, neste caso, as horas de trabalho e os custos diretos dependem do número de componentes e da complexidade do circuito discreto da interface de energia.
Os componentes de potência discretos, bem como quaisquer outros componentes de potência, geralmente não fazem parte da lista de materiais eletrónicos de funcionalidade do sistema dos fabricantes de placas de sistema e, portanto, é necessário um certo nível de conhecimento e engenheiros para avaliar, formar e certificar os componentes e a solução em cada aplicação.
O tempo de lançamento no mercado
é um aspeto extremamente importante relacionado com o risco técnico e com o facto de o projeto inicial nem sempre ser definitivo. Por vezes, são necessárias alterações e reformulações de engenharia quando a solução não apresenta o desempenho esperado. Novos microprocessadores e ASICs são frequentemente desenvolvidos em paralelo com o design da placa, com alguma incerteza em relação aos requisitos finais do circuito de alimentação e à tensão de alimentação global do sistema. Uma vez que o foco deve estar no desempenho e na funcionalidade da eletrónica da aplicação principal, o projeto final de alimentação da placa não pode ser considerado completo até que o circuito principal do sistema seja testado e verificado. Isto significa que existe um risco aparente de que o circuito de alimentação e interface da placa necessite de ser redesenhado muito mais tarde no projeto, multiplicando os custos e o tempo de projeto, o que, por sua vez, leva a atrasos imprevistos no lançamento e na entrega da nova placa do sistema. Naturalmente, existe um maior risco de atrasos significativos ao utilizar uma solução de interface de alimentação discreta, porque o design não está tão bem definido ou testado e depende de vários componentes e fornecedores. A utilização de uma solução PIM padrão pode colocar o sistema de alimentação online mais rapidamente, aumentando potencialmente as vendas.
O custo do tempo de lançamento no mercado é contabilizado como perda de receitas e lucros devido à quebra de vendas do produto na fase inicial, caso o lançamento seja atrasado devido ao planeamento do desenvolvimento da solução alimentar. Isto não só representa uma perda no número de produtos vendidos, como também significa que ser um dos primeiros, ou mesmo o primeiro, a chegar ao mercado pode representar uma parte significativa da receita e do lucro total, dado que existe menos concorrência e, portanto, um preço de mercado consideravelmente mais elevado. O custo do tempo de lançamento no mercado pode ser substancial quando comparado com outros custos a considerar. Com os actuais ciclos de vida curtos dos produtos, este pode muito bem ser o factor decisivo para alcançar a rentabilidade.
Custo da placa de circuito impresso
O custo da área ocupada pelo PIM ou pelo circuito de interface de alimentação discreto na placa de circuito impresso consiste em:
- Custo do material da placa em si
- Valor da superfície da placa para o projetista do sistema
O valor para o projetista da motherboard pode variar consideravelmente. Em alguns sistemas com placas menos densas, este custo pode ser relativamente baixo. Para sistemas de alta densidade com componentes compactados, o projetista pode querer minimizar a área ocupada pelas funções de alimentação e interface de energia para acomodar outros circuitos de aplicação do sistema. Neste caso, o projetista da motherboard e o fabricante do sistema podem atribuir um valor mais elevado a este componente, o que resultará num custo adicional para soluções de alimentação de menor densidade.
Na prática, este tornou-se um dos maiores desafios para os fabricantes e fornecedores de sistemas TIC. O espaço disponível é extremamente limitado em todo o lado, e o seu custo é muito elevado. As aplicações interiores e exteriores requerem a menor área possível e as menores dimensões possíveis dos equipamentos. Outra limitação é que a electrónica moderna de alta velocidade requer distâncias muito curtas para minimizar a distorção causada pela indutância dos terminais e pela capacitância da placa. Portanto, uma certa quantidade de funcionalidade deve ser incluída na própria placa.
As placas de circuito impresso são fabricadas em tamanhos normalizados específicos, e os armários e prateleiras dos equipamentos são concebidos para tamanhos específicos de placas. Assim, não é possível aumentar o tamanho da placa num determinado sistema ou equipamento; a única solução é minimizar o tamanho e o número de componentes na placa. Isto contribui para uma maior integração e para um menor tamanho do encapsulamento do dispositivo, mas, ao mesmo tempo, a necessidade de maior funcionalidade implica um maior número de pinos em cada microprocessador ou encapsulamento ASIC. O resultado é uma placa muito cara, não só devido ao elevado custo da electrónica do sistema, mas também devido ao número extremamente grande de camadas necessárias para alcançar a funcionalidade. Não é incomum encontrar até 30-40 camadas em placas de circuito impresso de sistemas TIC avançados.
Tudo isto significa que o espaço na placa é muito dispendioso nos equipamentos TIC modernos, e tudo o que não faz parte da electrónica principal do sistema, necessária para o funcionamento essencial, deve ser limitado ao mínimo absoluto em termos de espaço na placa.
Exemplos de aplicação
O primeiro exemplo é uma placa com circuitos de interface de energia convencionais (ver figura 2).
A interface de alimentação foi concebida há muito tempo e tem sido utilizada em diversas placas há muitos anos porque funciona, e não existem engenheiros de design de energia com formação para introduzir melhorias. Os componentes são antigos e caros, e o circuito ocupa uma área considerável da placa. Há também uma crescente procura de disponibilidade do sistema e a necessidade de troca a quente, pelo que a interface de alimentação precisa de ser redesenhada para incorporar alarmes e gestão de energia. Um PIM resolverá todos estes problemas a um custo mais baixo e com uma redução significativa do espaço ocupado na placa.
O segundo exemplo (ver figura 3) ilustra o espaço que pode ser poupado na placa ao utilizar o novo módulo micro-PIM PIM4006 no formato de bloco 1/16 (ver figura 4), que, para além dos circuitos de entrada convencionais, inclui uma interface I2C.
Este módulo foi desenvolvido para satisfazer as mais elevadas exigências de disponibilidade e robustez do sistema, e inclui também uma interface de comunicação digital para que os arquitetos de sistemas possam monitorizar o estado da aplicação via software. A utilização de tecnologia de ponta para aumentar a capacidade de filtragem resultou numa significativa poupança de espaço na placa (em ambos os lados). Este espaço pode ser utilizado para uma maior capacidade de processamento do sistema, uma gestão simplificada de energia e um lançamento mais rápido no mercado.
Neste caso, um PIM também pode poupar espaço valioso na placa e reduzir os custos. Isto é possível graças a um projeto otimizado por engenheiros de projeto de energia especializados e experientes. O PIM utiliza componentes com encapsulamentos mais pequenos e soluções avançadas, mas a lista de materiais continua reduzida. A gestão de energia e a comunicação interna permitem uma redução do tempo de retenção necessário, minimizando assim a capacidade. O resultado é um PIM que ocupa, no máximo, apenas um terço da área que um projeto discreto exigiria.
A normalização em energia distribuída para equipamentos TIC continuará a satisfazer as exigências dos operadores de telecomunicações e comunicação de dados como opção de alimentação alternativa devido ao seu menor custo.
Os novos PIM em desenvolvimento adaptam-se a diferentes padrões e níveis de potência de distribuição, bem como a soluções proprietárias, sendo uma opção viável na maioria das aplicações.
Autor:
Patrick Le Fèvre, Diretor de Marketing e Comunicação da Ericsson Power Modules
