Resolvendo o dilema do design do módulo de energia: desenvolver vs. Comprar em aplicações de volume limitado como eletrônicos móveis/portáteis.
Mesmo uma década atrás, os sistemas eletrônicos exigiam apenas algumas tensões e correntes de alimentação diferentes, e essas eram normalmente compartilhadas entre vários circuitos. Além disso, ao contrário da eletrônica de uma década atrás, o projeto eletrônico moderno geralmente enfatiza projetos extremamente compactos e soluções móveis/portáteis. As mais recentes matrizes de portas programáveis em campo (FPGAs), unidades de processamento central multiprocessador (CPUs), placas gráficas e hardware RF/sem fio geralmente exigem uma matriz complexa de fontes de alimentação CC. Essa diversidade e densidade de soluções de fornecimento de energia necessárias estão muito além das gerações anteriores de eletrônicos móveis ou portáteis. Essa complexidade coloca um dilema tanto para os projetistas de sistemas quanto para os de energia, seja para fazer internamente circuitos de fonte de alimentação DC-DC discretos de maneira tradicional ou para comprar módulos de energia e integrá-los ao projeto (ou seja, fabricar versus comprar).
Vamos explorar as soluções de módulo de energia mais recentes e como elas podem finalmente inclinar a balança a favor do argumento de compra em relação ao projeto de sistema de energia de alta densidade ou volume/área ocupada.
Fabricar Vs. Análise de compra
O projeto e a fabricação interna de uma solução de energia discreta exigem um alto nível de especialização prontamente disponível, juntamente com a capacidade de aquisição/cadeia de suprimentos de fornecer todas as peças necessárias e garantir a qualidade das peças e da fabricação. Essa é, em última análise, a principal limitação para muitos OEMs, pois essa abordagem requer uma equipe de engenheiros e técnicos para projetar, avaliar, testar e fabricar a solução. Mesmo com uma equipe de projeto muito boa, as partes de teste e fabricação exigem seu próprio conjunto de ferramentas e equipamentos especializados, que muitos OEMs podem ou não ter disponíveis. Mesmo que esses recursos estejam disponíveis, a complexidade das soluções de energia modernas para os mais recentes sistemas eletrônicos digitais e de RF pode estar além da capacidade que um OEM pode ter acesso internamente.
Suponha que um OEM tenha todos os recursos necessários para criar uma solução de energia completa e para realizar toda a validação e controle de qualidade necessários. Nesse caso, ainda há uma variedade de fatores a serem considerados ao abordar um projeto de energia que podem pesar a favor da compra de um módulo de energia.
Fatores-chave e considerações na análise de fabricar versus comprar a solução de energia:
- Tamanho
- Peso
- Densidade de potência
- Eficiência
- Flexibilidade
- Escalabilidade
- Ciclo de projeto
- Gerenciamento termal
- Conjunto
Os módulos de energia de qualidade mais recentes do mercado são projetados e fabricados por equipes dedicadas de engenheiros e técnicos altamente qualificados. Esses módulos também passaram por muitas iterações de otimização e se beneficiam de insights profundos e feedback do cliente. Portanto, esses módulos de energia são extremamente compactos e eficientes. Isso significa que a densidade de energia desses módulos provavelmente está muito além do que uma equipe interna de projeto de energia pode alcançar no tempo limitado que eles têm para lançar um produto no mercado enquanto são competitivos (Figura 1).
Dada a natureza dedicada das equipes de projeto de módulos de energia e seus muitos recursos, os módulos premium mais recentes também vêm com vários recursos que intrinsecamente permitem flexibilidade no projeto e escalabilidade. Além disso, os projetistas de módulos de potência dedicados podem se beneficiar do mais recente conhecimento de projeto de CI de potência e agora podem oferecer módulos que aproveitam as melhores combinações de desempenho nos menores pacotes. Essa eficiência não apenas facilita o gerenciamento térmico, em geral, mas o novo encapsulamento plano uniforme e o design do módulo simplificam muito o dissipador de calor do gerenciamento térmico e/ou o design de resfriamento de ar ativo (Figura 2).
Considerações sobre design móvel ou baseado em bateria
Os sistemas eletrônicos de ponta para processamento, detecção e atuação conectados sem fio a redes de informação são uma tendência crescente. Isso coincide com uma tendência dos fabricantes de eletrônicos que estão lutando para se manter relevantes e competitivos, procurando tornar seus produtos menores, mais leves e mais portáteis para aumentar seu valor para os usuários finais. Essas soluções eletrônicas portáteis e de última geração estão sob restrições de tamanho, peso e eficiência de energia extremamente rígidas, mesmo com os avanços na tecnologia de bateria levando a uma maior densidade de energia e potência.
Isso ocorre porque o peso e o tamanho de eletrônicos de potência menos eficientes devem necessariamente aumentar para atingir o mesmo desempenho de soluções mais eficientes. Quando cada grama conta, existe um forte argumento para incluir módulos de energia mais eficientes e compactos em um projeto, em vez do projeto interno de uma solução de energia discreta que provavelmente é muito maior e muito menos eficiente.
Vantagem da Vicor
A Vicor é líder em módulos de potência de alto desempenho e investe substancialmente na inovação de suas próprias tecnologias de módulos de potência para permitir que os OEMs gerenciem suas próprias inovações. Os módulos de energia Vicor provaram ser superiores às soluções típicas de módulos de energia discretos em todas as categorias de desempenho significativas, desde tamanho/peso e eficiência a qualidade e escalabilidade.
Um exemplo disso são os reguladores Buck-Boost de comutação de tensão zero (ZVS) da Vicor. Esses módulos de potência System-in-Package (SiP) de alta densidade exibem reguladores DC-DC de ampla faixa de entrada com componentes acessórios integrados, controladores e interruptores de alimentação em uma solução que é uma fração do tamanho de um indutor típico de passagem. A capacidade de comutação de alta frequência e os controles avançados dos ZVS Buck-Boost Regulators resultam em um módulo de energia mais compacto e eficiente (mais de 98% de eficiência >800kHz FSW). Além disso, reduz o tamanho dos componentes externos de filtragem para obter o mesmo desempenho das soluções de comutação mais lentas. Esses reguladores são intrinsecamente escaláveis por serem paralelos com recurso de compartilhamento de corrente de um único fio.
Conclusão
Ao decidir se é melhor fabricar ou comprar uma solução de energia para um determinado projeto de energia, há muitos fatores a serem considerados. No entanto, os módulos de energia mais recentes se beneficiam de anos de desenvolvimento dedicado e recursos avançados que oferecem níveis de desempenho e densidade que são difíceis ou impossíveis de alcançar com soluções de energia discretas no tempo limitado que as equipes de projeto de energia têm para fazer seus projetos de produção.
Artigo escrito por Jean-Jacques e publicado no blog da Mouser Electronics: Solving the Power Design Dilemma: Make Vs. Buy
Traduzido pela Equipe Embarcados. Visite a página da Mouser Electronics no Embarcados
(*) este post foi patrocinado pela Mouser Electronics.
