Los cuartos de bloque elevan el nivel para densidad de potencia y eficiencia.

Se sabe bien que la arquitectura de bus intermedia (IBA) que es común en los servidores modernos, estaciones de trabajo y equipo de telecomunicaciones son posibles gracias a una variedad de convertidores aislados de CC/CC denominados bloques (bricks). Al ofrecer un voltaje de bus de CC más bajo, estos bloques permiten a los diseñadores del sistema construir rápidamente reguladores reductores con punto de carga (POL) no aislados, de alta densidad y de alta eficiencia para impulsar las distintas cargas electrónicas, como microprocesadores, FPGA y ASIC a lo largo de placas del sistema. La tarea de crear reguladores POL es más simple ahora porque la proporción de reducción es menor.

Recientemente, en el artículo de TechZone “Higher Power, Efficiency, and Density Eighth-Brick Converters” (Convertidores de octavo de bloque con mayor densidad, eficiencia y potencia), se develó que los convertidores de octavo de bloque se estaban desarrollando con más potencia, mayor eficiencia, control digital y menor costo, pero en la misma huella estándar de 2.3 x 0.9 pulgadas (58 x 23 mm). Como resultado, estos bloques ofrecían la potencia y la funcionalidad de los cuartos de bloques en una huella de octavo de bloque significativamente menor con mayor eficiencia y densidad y a un precio competitivo. Actualmente, los fabricantes de bloques también han impulsado el rendimiento y la potencia de los cuarto de bloques porque las placas del sistema demandan más potencia con respuesta más rápida y mayor eficiencia. Además, se están agregando interfaces como PMBus para el control digital.

Al explorar las mejoras en cuartos de bloque de fabricantes como CUI, GE Critical Power, Murata Power Solutions, Bel Power Solutions y Vicor entre otros, este artículo mostrará cómo los cuartos de bloque avanzan para tomar el control de las tareas de medio bloque y bloque completo.

Sobrepasar los límites

Vicor, por ejemplo, está impulsando más allá al envolvente de potencia y, a su vez, eleva el nivel de eficiencia. Por último, la empresa ha obtenido una potencia de salida de 850 W de una huella de cuarto de bloque a una eficiencia máxima del >98 por ciento. IB050Q096T70N1-00, parte de la serie C VI Brick^® IBC de Vicor, puede ofrecer una potencia utilizable máxima en el menor espacio con eficiencia sin precedentes y respuesta transiente. Si bien se ofrece como un reemplazo directo de los convertidores estándares de velocidad fija de 5:1, el módulo IBC opera en un rango de voltaje de entrada de 36 a 60 V con un aislamiento de 2250 V_CC de entrada a salida. El módulo logra una eficiencia pico muy alta de manera simultánea (Figura 1). Tiene un régimen nominal de 80 A máx., pero para la salida de 850 W, el rango de voltaje de entrada es de 55 a 60 V. De la misma manera, para la salida de 550 W, el rango de entrada de CC es de 36 a 54 V. Según el proveedor, la construcción de marco abierto del módulo de cuarto de bloque de 2.30 x 1.45 x 0.42 pulgadas facilita el flujo de aire por encima y debajo del módulo para minimizar el aumento de la temperatura de los componentes descendentes. Como consecuencia, ofrece la máxima potencia utilizable en sistemas limitados térmicamente, permitiendo a los diseñadores convertir el espacio valioso en la placa y lograr un funcionamiento de carga completa a una temperatura ambiente de 65 ºC con solo el flujo de aire de 400 LFM. Según la hoja de datos de Vicor, el módulo IBC utiliza la topología propietaria de convertidor de amplitud sinusoidal para cambiar a frecuencias mayores y así elevar la densidad y la eficiencia de la potencia, y, a su vez, reducir el tiempo de respuesta de transiente por un factor de 10. Como resultado, se elimina la necesidad de contar con capacitores reductores en el bus intermedio.


Figura 1: Los cuartos de bloques VI Brick IBC de Vicor ofrecen una eficiencia máxima del 98 por ciento a una temperatura ambiente de 55 °C.

Al incorporar su topología de potencia Solus patentada, CUI también ha impulsado la densidad de potencia de los cuartos de bloque de la serie NQB diseñados para cumplir con los requisitos crecientes de potencia de los convertidores de bus intermedio utilizados en los sistemas de telecomunicaciones y centros de datos. Al ser parte de la cartera Novum Advanced Power de la empresa, la serie NQB puede admitir 720 W en una huella de cuarto de bloque desde un rango de entrada de 36 a 60 V_CC con una salida de 12 V_CC mientras ofrece una eficiencia mayor al 96 por ciento. El producto NQB admite eventualmente un rango de entrada mayor así como una salida de 9.6 V_CC. Las características adicionales incluyen opciones para la compatibilidad de huella DOSA, encendido/apagado remoto y capacidad para compartir carga.

Control digital

Para el control digital, el proveedor ofrece la serie NQB-D, que incorpora microcontroladores basados en ARM de 32 bits con firmware con optimización de potencia para maximizar y aplanar la curva de eficiencia para aplicaciones donde las condiciones de carga pueden variar considerablemente. Además, la interfaz de PMBus de revisión 1.2 está disponible para control y monitoreo remoto así como para configurar el bloque (brick) para voltaje de salida, ajuste de márgenes de voltaje, administración de fallas, incremento del retardo de precisión y encendido/parada.

De la misma manera, GE Critical Power ha incorporado el control digital en la línea Barracuda de alta potencia de la empresa, que ofrece una regulación completa en una huella de cuarto de bloque conforme a DOSA. Los bloques bricks Barracuda con PMBus están diseñados para ofrecer voltajes de bus intermedios de 9.6 a 12 V_CC para impulsar convertidores POL no aislados. Con un rango de entrada de 36 a 75 V_CC y una salida de 12 V_CC, el QBDW025A0B tiene una potencia de salida nominal de 300 W (Figura 2). Admite un subconjunto de los comandos en la especificación PMBus 1.2. Los comandos admitidos se describen en detalle en la hoja de datos del producto. Los parámetros del controlador programados mediante PMBus se pueden almacenar como predeterminados para usarlos más adelante. QBDW025A0B de cuarto de bloque incluye memoria no volátil que se utiliza para almacenar los ajustes de configuración y factores de escala.


Figura 2: el cuarto de bloque QBDW025A0B conforme a DOSA de GE Critical Power, miembro de la serie Barracuda, está clasificado para una potencia de salida de 300 W a 12 V_CC.

Para lograr una eficiencia del 96 por ciento o más, los bricks Barracuda incorporan la rectificación sincrónica junto con un empaque innovador. La salida está completamente aislada de la entrada, lo que permite configuraciones versátiles de polaridad y conexiones de puesta a tierra. Además, con un filtro integrado de entrada y salida, el convertidor de CC/CC minimiza el filtrado externo.

La salida del bloque brick Barracuda está protegida contra sobrecorriente, sobrevoltaje y sobretemperatura. Para requisitos de potencia superior, el módulo de potencia QBDW025A0B ofrece una característica opcional para la operación paralela. Ofrece una característica de disminución precisa de la regulación de la carga de voltaje de salida forzada. Según GE, el punto de ajuste de salida y la curva de disminución están calibrados de fábrica para garantizar una coincidencia óptima de varias características de regulación de carga de módulos. Los requisitos para implementar la carga compartida se explican detalladamente en la hoja de datos. Otras opciones incluyen una placa base para la administración térmica y reinicio automático después del apagado por falla.

La placa base mejora el rendimiento térmico cuando se utiliza en entornos de convección natural y convección forzada. Además, también permite que las unidades se implementen en aplicaciones refrigeradas por conducción donde la placa base se conecta a un disipador térmico más grande o una placa fría.

Rangos de voltaje de entrada más amplios

Por lo general, los rangos de voltaje de entrada para los convertidores tipo brick son de 2:1, que significa que el voltaje de operación máxima es aproximadamente el doble del mínimo. Los ejemplos típicos son 18 a 36 V y 36 a 75 V. No obstante, para las aplicaciones donde el equipo se puede implementar en entornos donde el voltaje aplicable puede ser un tanto dispar, los fabricantes como Murata Power Solutions y Bel Power Solutions están ofreciendo modelos con rangos de voltaje de entrada ultra amplios. En dichos productos, el rango de entrada puede ser 3:1 o superior.

Un buen ejemplo es el convertidor de cuarto cuarto de bloque UWQ-12/20-T48 de Murata. Al haber diseñado para la red de retroceso inalámbrica, un amplio rango de redes y otras aplicaciones de telecomunicaciones, acepta una entrada de 18 a 60 V_CC para ofrecer 12 V_CC a 20 A desde un paquete de cuarto cuarto de blqoue de marco abierto y compatible con DOSA que ocupa 58.4 x 36.8 x 11.7 mm (2.3 x 1.45 x 0.46 pulgadas). Al ofrecer una regulación de línea y carga ajustada, la unidad garantiza que el voltaje de salida no varíe ±1.25 por ciento en condiciones de cambio de carga. La eficiencia típica es del 92 por ciento y hasta tres unidades se pueden operar en paralelo para ofrecer redundancia o carga compartida para una potencia de salida superior (Figura 3). Además de ofrecer control remoto de encendido/apagado, el convertidor de cuarto cuarto de bloque ofrece protección contra sobrecorriente, sobretemperatura, subvoltaje de entrada y cortocircuito de salida. Una vez más, una placa base opcional está disponible para la refrigeración de la conducción.


Figura 3: los cuarto de bloque aislados de Murata se pueden conectar en paralelo para una corriente de salida mayor.

En la serie UWQ, Murata ha agregado también los cuartos de bloque con una capacidad de entrada de 4:1. Uno de dichos miembros es UWQ-12/17-Q48 con un rango de entrada de 18 a 75 V_CC para una entrada nominal de 48 V. La salida fija de CC es de 12 V a una corriente de 17 A. Otras características incluyen control remoto de encendido/apagado, diseños y salidas de pines compatibles con DOSA, autoprotección extensa, OVP, subvoltaje de entrada, límite de corriente y apagado térmico.

De la misma manera, Bel Power Solutions ha preparado una serie de cuarto de bloque de 240 W y compatible con DOSA diseñada para UIQ para abordar las entradas amplias de CC de 18 V a 75 V y generar una salida de CC de 12, 5 o 3.3 V. El modelo UIQ48T20120, por ejemplo, ofrece 12 V_CC a 20 A con eficacia superior al 92 por ciento. Se ha fabricado especialmente para funcionar en sistemas que ha limitado el flujo de aire y aumenta las temperaturas ambiente. Además, el módulo de bloque incluye un difusor térmico que ofrece una interfaz térmica efectiva para opciones de placa fría y disipación térmica (Figura 4).


Figura 4: UIQ48T20120 de cuarto de bloque compatible con DOSA de Bel Power Solutions incluye un difusor térmico para mejorar aún más la capacidad térmica del convertidor.

En resumen, los convertidores de cuarto de bloque (quarter-brick) de CC/CC están estableciendo nuevos estándares en lo que respecta a densidad de potencia, eficiencia de conversión y rendimiento térmico mientras se añaden más características en la placa. Como resultado, están llevando a cabo tareas que se asignaban en primer medida a medios bloques o bloques completos.

Para obtener más información sobre las piezas descritas en este artículo, utilice los enlaces que se proporcionan para acceder a las páginas de información del producto en el sitio web de DigiKey.