Con la presión de mejorar la eficiencia del suministro de energía, el tamaño, la velocidad y el costo de los sistemas electrónicos modernos, la arquitectura del suministro eléctrico ha evolucionado de una voluminosa e ineficiente arquitectura de potencia centralizada (CPA) a una compacta y altamente eficiente arquitectura de potencia distribuida (DPA) y una arquitectura de bus intermedio (IBA). En el antiguo esquema de CPA, todas las tensiones de los sistemas se generaban en una ubicación central y luego se distribuían a la carga a través de los buses de distribución (Figura 1).
Esto puede ser eficaz si las tensiones son altas y las corrientes, bajas, o si las distancias entre el suministro de energía y las cargas son pequeñas. Sin embargo, los requisitos del sistema de hoy son diferentes. Dado que se completan con nuevas generaciones de microprocesadores, módulos de memoria, DSP y ASIC, requieren múltiples tensiones bajas con alta corriente. Además, las cargas de baja tensión se distribuyen entre las placas del sistema. Como resultado, con CPA, las pérdidas por distribución son mayores y la eficiencia general del sistema es menor, lo cual aumenta el costo de la administración térmica, así como también reduce la confiabilidad de los componentes.
Figura 1: en las arquitecturas de energía centralizada, todas las tensiones se generan a partir de un alojamiento único y cada tensión se traslada separadamente a la carga. (Fuente: Vicor)
Para superar las limitaciones de CPA, se introdujo DPA a comienzo de los años 1980 con la idea de descentralizar la energía para reducir las pérdidas de distribución. En la arquitectura DPA, el convertidor de interfaz CA/CC genera una tensión de bus de CC fija, como 48 VCC. La mayoría de los centros de datos y equipos de telecomunicaciones usan tensión de bus de 48 VCC para alimentar diversos convertidores reductores de CC/CC aislados en un punto de carga (POL). Los convertidores POL luego generan la tensiones bajas requeridas a una corriente de salida alta para accionar las cargas requeridas (Figura 2).
Figura 2: en la arquitectura de potencia distribuida tradicional, una tensión de bus CC, como 48 VCC, acciona diversos convertidores reductores CC/CC aislados de punto de carga (POL), que luego generan las tensiones bajas requeridas a alta corriente de salida para accionar las cargas requeridas.
La eficiencia, junto con la densidad de la energía, de los convertidores CC/CC aislados que se utilizan en el esquema DPA es alta (normalmente, sobre 90 por ciento). Pero al utilizar los procesos del nanómetro, las tensiones de estos últimos dispositivos semiconductores, como DSP, memorias y ASIC, han bajado a 1 V y menos mientras que los requisitos de corriente han aumentado simultáneamente. Además, estos nuevos circuitos integrados también exigen una respuesta transitoria más rápida de los convertidores de CC/CC del DPA. Como resultado, la tasa de reducción para estos convertidores CC/CC de POL ha ido en ascenso, lo cual se traduce en más pérdidas, lo que a su vez está reduciendo la eficiencia de estos convertidores.
Para tratar la multiplicidad de tensiones más bajas y corrientes más altas en los POL de todas las placas del sistema, se introdujeron más convertidores económicos y eficientes con una respuesta transitoria más rápida como tensión de bus intermedio. Este esquema recibe el nombre de arquitectura de bus intermedio (IBA). El IBA, introducido hace más de una década, incorpora otro paso del convertidor CC/CC en la arquitectura DPA tradicional (Figura 3). Como resultado, la tensión del bus de 48 VCC ahora se redujo a un voltaje intermedio de 9.6 V o 12 V. Este convertidor CC/CC aislado intermedio, llamado convertidor de bus intermedio (IBC), se usa para accionar reguladores reductores (buck) de POL no aislado (niPOL), con lo cual se reduce la función de POL a regulación y transformación.
Figura 3: la arquitectura de bus intermedio (IBA) incorpora otro convertidor CC/CC aislado llamado convertidor de bus intermedio (IBC) en el esquema de DPA tradicional, que adicionalmente acciona los reguladores reductores (buck) de POL no aislado (niPOL) para generar tensión regulada para la carga.
Existen diversas compañías de suministro de energía que ofrecen convertidores de IBC de gran eficiencia y alta densidad para facilitar la arquitectura IBA. Incluyen Bel Power Solutions, GE Critical Power y Vicor, por nombrar algunas. Bel Power, por ejemplo, ofrece un convertidor de bus totalmente regulado de 420 W QME48T35120-NJBBGGE en formato de un cuarto de ladrillo que está diseñado para entregar una salida de 12 VCC a 35 A desde una entrada típica de 48 VCC. La eficiencia pico con la mitad de la carga es de alrededor de 96 por ciento. GE Critical Power es otro importante proveedor en esta carrera. Su convertidor de bus totalmente regulado de 400 W, etiquetado QBVW033A0B Barracuda también es de un cuarto de ladrillo y es compatible con DOSA. El rango de tensión de entrada para esta línea de convertidor es 36 a 75 V y la salida regulada es 12 V. La eficiencia típica a media carga es 96.4 por ciento. Para las aplicaciones que requieren control digital, la compañía ofrece QBDW033A0B Barracuda, que es un convertidor de un cuarto de ladrillo completamente regulado, de 400 W compatible, con interfaz PMBus. Está diseñado para entregar tensiones de bus intermedio de 9.6 a 12 VCC para accionar convertidores de POL no aislado. El rango de tensión de entrada es 36 a 75 VCC.
Para sistemas que necesitan una potencia de salida de 300 W o menor, GE Critical Power ha lanzado un miembro de ocho ladrillos, el EBVW025A0B, que admite una salida totalmente regulada de 9.6 a 12.0 V y que cumple con DOSA. Además, ofrece una interfaz de PMBus para control digital.