Зачастую решение принимается исключительно на основе стоимости оборудования, игнорируя многие другие факторы.
Стандартный силовой модуль — это компонентоподобное устройство, выпускаемое серийно, прошедшее 100% тестирование и гарантированно соответствующее техническим характеристикам. Дискретная силовая схема состоит из множества компонентов, установленных на печатной плате вместе с основной системной электроникой. После сборки и завершения производства никаких дополнительных испытаний, кроме тестирования платы, не проводится.
Недавним дополнением к ассортименту силовых модулей, доступных на рынке, является PIM (Power Interface Module). На рисунке 1 показан пример PIM.
PIM-модуль обычно включает в себя фильтрацию входного сигнала и подавление переходных процессов, защиту от пускового тока, возможность «горячей» замены, удержание и отключение при пониженном напряжении, двойное питание, мониторинг, сигнализацию и управление питанием на основе PMBus или I2C. Первый доступный PIM-модуль был разработан для открытых платформ на основе стандарта ATCA (Advanced Telecommunications Computing Architecture) для сокращения времени выхода на рынок и экономии ценного места на плате; однако концепция и функциональность PIM-модуляций на самом деле хорошо подходят для большинства плат в ИКТ-оборудовании (информационно-коммуникационных технологиях). В настоящее время эта функциональность часто достигается с помощью дискретных решений, но это может измениться по мере развития проприетарных платформ в более гибкие, основанные на стандартах открытые платформы.
Существует множество решений для подключения питания материнских плат. Некоторые из них очень просты и содержат только предохранитель и фильтр электромагнитных помех. Другие же более сложны и включают защиту от пускового тока, возможность «горячей» замены, удержание и отключение при пониженном напряжении, двойное питание, мониторинг, сигналы тревоги и управление питанием.
Схемы интерфейса питания, реализованные на плате с использованием дискретных компонентов, обычно представляют собой проприетарное решение, адаптированное к различным архитектурам распределенного питания, используемым производителями ИКТ-оборудования. Были запущены инициативы по стандартизации, такие как ATCA, но проприетарные решения по-прежнему наиболее распространены.
Использование PIM-решения вместо дискретной схемы обеспечивает значительные преимущества, такие как сокращение времени и затрат на проектирование, снижение затрат на закупку и приобретение, ускорение выхода на рынок и уменьшение площади печатной платы, необходимой для функциональности интерфейса питания.
Стоимость проектирования схем и систем:
Эта стоимость относится только к дискретной схеме интерфейса питания; пользователям стандартных модулей питания не нужно проектировать внутреннюю схему. Стоимость проектирования схемы включает в себя следующее:
- Проектирование и компоновка схемы
- Определение номиналов компонентов
- Указание номеров компонентов и альтернативных вариантов
- Создание и тестирование прототипов, включая тепловые и электромагнитные аспекты
- Модификация схем по мере необходимости
- Документация
Время и стоимость будут варьироваться в зависимости от наличия базовой схемы или необходимости разработки совершенно новой схемы. Время, затраченное на проектирование, и стоимость оборудования зависят от количества компонентов и сложности дискретной схемы интерфейса питания. Результат также зависит от квалификации инженера-электротехника. Фактически, для разработки надежной и экономически эффективной схемы интерфейса питания необходим квалифицированный инженер-проектировщик силовых систем.
Однако затраты на проектирование силовой системы будут включать в себя затраты на необходимые ресурсы и расходы на проектирование:
- Распределение постоянного тока и развязка
- Тепловой анализ и охлаждение
- Безопасность и предохранители
- Управление и диагностика
Разработка системы кормления будет намного проще и быстрее при использовании стандартного варианта PIM, поскольку он включает в себя гораздо более совершенные функции, и для него доступно больше документации.
Затраты на закупку и приобретение:
это ресурсы и прямые затраты на приобретение компонентов, необходимых для любого решения, включая выбор и утверждение поставщиков, согласование цен, обеспечение качества, управление запасами и т. д. Для стандартного варианта PIM обычно доступен только один компонент: модуль интерфейса питания. Кроме того, в этом случае трудозатраты и прямые расходы зависят от количества компонентов и сложности дискретной схемы интерфейса питания.
Дискретные силовые компоненты, как и любые другие силовые компоненты, обычно не входят в спецификацию электроники, предоставляемую производителями системных плат, поэтому для оценки, обучения и сертификации компонентов и решений в каждом конкретном случае требуются определенные знания и инженеры.
Сокращение времени выхода на рынок
является чрезвычайно важным аспектом, связанным с техническими рисками и тем фактом, что первоначальный проект не всегда является окончательным. Иногда, когда решение не работает должным образом, необходимы инженерные изменения и перепроектирование. Новые микропроцессоры и ASIC часто разрабатываются параллельно с проектированием платы, при этом существует некоторая неопределенность в отношении окончательных требований к силовой схеме и общему напряжению питания системы. Поскольку основное внимание должно быть сосредоточено на производительности и функциональности основной электроники приложения, окончательный проект питания платы не может считаться завершенным до тех пор, пока основная схема системы не будет протестирована и проверена. Это означает, что существует очевидный риск того, что силовую и интерфейсную схемы платы потребуется перепроектировать гораздо позже в проекте, что многократно увеличит затраты и время на проектирование, что, в свою очередь, приведет к непредвиденным задержкам в запуске и поставке новой системной платы. Естественно, существует больший риск значительных задержек при использовании дискретного решения для интерфейса питания, поскольку проект не так хорошо определен или протестирован и зависит от различных компонентов и поставщиков. Использование стандартного решения PIM может ускорить ввод системы питания в эксплуатацию, потенциально увеличивая объемы продаж.
Затраты на вывод продукта на рынок учитываются как упущенная выгода и прибыль из-за снижения продаж на начальном этапе, если запуск продукта задерживается из-за плана разработки пищевого решения. Это не только означает потерю количества проданных продуктов, но и то, что выход на рынок одним из первых или даже самым первым может принести значительную часть общей выручки и прибыли, поскольку конкуренция ниже, а значит, рыночная цена значительно выше. Затраты на вывод продукта на рынок могут быть существенными по сравнению с другими расходами. При нынешних коротких жизненных циклах продуктов это вполне может стать решающим фактором в достижении прибыльности.
Стоимость печатной платы.
Стоимость площади, занимаемой PIM-модулем или дискретной схемой интерфейса питания на печатной плате, состоит из:
- Стоимость самого материала печатной платы
- Ценность площади печатной платы для системного проектировщика
Значение этого компонента для разработчика системной платы может значительно варьироваться. В некоторых системах с меньшей плотностью размещения компонентов на плате эта стоимость может быть относительно низкой. Для систем с высокой плотностью размещения компонентов в плотно упакованных корпусах разработчик может захотеть минимизировать площадь, занимаемую элементами питания и интерфейсами питания, чтобы разместить другие схемы системного приложения. В этом случае разработчик системной платы и производитель системы могут присвоить этому компоненту более высокое значение, что приведет к увеличению стоимости решений с меньшей плотностью размещения компонентов питания.
На практике это стало одной из самых больших проблем для производителей и поставщиков ИКТ-систем. Доступное пространство повсюду крайне ограничено, а его стоимость очень высока. Для внутренних и наружных применений требуются минимально возможные габариты и размеры оборудования. Еще одно ограничение заключается в том, что современная высокоскоростная электроника требует очень малых расстояний для минимизации искажений, вызванных индуктивностью выводов и емкостью платы. Следовательно, определенный объем функциональности должен быть размещен на самой плате.
Печатные платы изготавливаются в определенных стандартизированных размерах, а шкафы и полки для оборудования проектируются для конкретных размеров плат. Поэтому увеличить размер платы в данной системе или оборудовании невозможно; единственное решение — минимизировать размер и количество компонентов на плате. Это способствует большей интеграции и уменьшению размера корпуса устройства, но в то же время потребность в большей функциональности подразумевает большее количество выводов на каждом микропроцессоре или ASIC-корпусе. В результате получается очень дорогая плата, не только из-за высокой стоимости системной электроники, но и из-за чрезвычайно большого количества слоев, необходимых для реализации функциональности. В современных ИКТ-платах нередко можно встретить до 30-40 слоев.
Всё это означает, что место на печатной плате в современном ИКТ-оборудовании очень дорогое, и всё, что не является частью основной системной электроники, необходимой для обеспечения требуемой функциональности, должно быть сведено к абсолютному минимуму по площади на плате.
Примеры применения.
Первый пример — плата со стандартной схемой интерфейса питания (см. рисунок 2).
Интерфейс управления питанием был разработан давно и используется на многих различных платах уже много лет, потому что он работает, а инженеров-разработчиков, специализирующихся на проектировании систем питания, для внесения улучшений, не хватает. Компоненты устарели и дороги, а схема занимает довольно большую площадь платы. Кроме того, растет спрос на доступность системы и необходимость «горячей» замены, поэтому интерфейс управления питанием необходимо перепроектировать, чтобы включить в него функции сигнализации и управления питанием. Интерфейс управления питанием (PIM) решит все эти проблемы с меньшими затратами и со значительным уменьшением занимаемой площади на плате.
Второй пример (см. рисунок 3) иллюстрирует экономию места на плате при использовании нового микромодуля PIM4006 в формате 1/16 кирпичика (см. рисунок 4), который, помимо обычной входной схемы, включает интерфейс I2C.
Этот модуль разработан для удовлетворения самых высоких требований к доступности и надежности системы, а также включает в себя цифровой коммуникационный интерфейс, позволяющий системным архитекторам отслеживать состояние приложения с помощью программного обеспечения. Использование передовых технологий для увеличения степени фильтрации привело к значительной экономии места на плате (с обеих сторон). Это пространство может быть использовано для увеличения вычислительной мощности системы, упрощения управления питанием и ускорения выхода на рынок.
В данном случае PIM также позволяет сэкономить ценное пространство на плате и снизить затраты. Это стало возможным благодаря оптимизированной конструкции, разработанной опытными инженерами-специалистами по проектированию систем электропитания. В PIM используются компоненты в более компактных корпусах и передовые решения, но при этом сокращается количество компонентов. Управление питанием и внутренняя связь позволяют сократить необходимое время удержания, тем самым минимизируя емкость. В результате получается PIM, занимающий не более одной трети площади, необходимой для дискретной конструкции.
Стандартизация распределенного электропитания для ИКТ-оборудования будет и впредь удовлетворять потребности операторов связи и передачи данных в качестве второго варианта электропитания благодаря его более низкой стоимости.
Разрабатываемые новые PIM-модули адаптируются к различным стандартам и уровням мощности распределенного электропитания, а также к собственным решениям компании, что делает их жизнеспособным вариантом в большинстве областей применения.
Автор:
Патрик Ле Февр, директор по маркетингу и коммуникациям компании Ericsson Power Modules
