Convertidores digitales de punto de carga vs. gestores digitales

¿Cuándo debes utilizar un convertidor de punto de carga (POL) con PMBus, y cuándo debes utilizar un Gestor Digital con los POL de la vieja escuela? En este post, proporcionaré algunas heurísticas para hacer esta elección.

Para no confundir, mi objetivo es modesto: proporcionar una intuición suficiente para hacer una elección de primer paso, que se convierte en un área a explorar con más detalle. No es diferente de pensar en dónde has estado las últimas 24 horas antes de buscar las llaves perdidas del coche, porque no puedes buscar en todas partes a la vez y quieres mejorar tus posibilidades de encontrarlas.

Empecemos por dibujar algunos diagramas de estos aparatos para examinar sus diferencias fundamentales. A veces las imágenes aclaran las cosas.

POL con PMBus

En una hoja de datos, un POL con PMBus podría ser más bien: controlador DC/DC de doble salida… con gestión digital del sistema de alimentación. Parte de la estructura de los dispositivos se refleja en el título, pero la forma básica general es razonablemente coherente.

Figura 1: Diagrama de bloques POL.

Si trazamos una línea arquitectónica por el centro del dispositivo, el lado izquierdo contiene toda la lógica del PMBus, la telemetría, los supervisores y el convertidor digital-analógico que alimenta la entrada de referencia del POL. En el lado derecho está el convertidor de punto de carga (POL). Aunque hemos dividido las funciones, ambas están en un solo paquete y se compran como una sola unidad.

Gestor digital con POLs

Un gestor digital no tiene una etapa de conversión de energía y depende de los POL externos. Se trata de una solución multipaquete.

Figura 2. Gestor digital con POL.

El gestor controla la tensión de salida de cada POL, el límite de corriente, mide las salidas y las entradas, y gestiona los fallos. Esencialmente, el modelo POL con PMBus se ha cortado en la línea de puntos. Los directores típicos gestionan 4 u 8 POLs.

Implicaciones de la división del POL con el PMBus

La implicación obvia de la división de la funcionalidad (que no es realmente algo nuevo, ya que los POL existían mucho antes que los directivos), es la independencia de las funciones. El mercado de POL es bastante amplio y diverso y admite una gama muy amplia de soluciones. A menudo pensamos en los POL como convertidores de conmutación (SMPS), como un Buck, pero los LDO son igual de controlables y observables. Por lo tanto, la separación de funciones crea un número muy grande de combinaciones de diseño.

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Por otro lado, como los costes de embalaje son importantes, un POL con PMBus puede tener un coste por canal más bajo. Al no necesitar clavijas entre las funciones de gestión y el POL, más líneas de control permiten un mayor nivel de funcionalidad e integración. El rendimiento también superará el de una solución dividida en algunas dimensiones.

Este es un caso clásico de rendimiento frente a flexibilidad. Sin embargo, en el caso de una solución grande de varios carriles, el óptimo global puede no seguir esta simple compensación. Así que vamos a explorar esto más a fondo.

Opciones de diseño

Mi consejo es que siempre mires primero los POL con PMBus. Estos POL suelen atender a mercados concretos y, si encajas en uno de esos nichos, puedes beneficiarte de su estrecha integración, simplicidad y rendimiento. Si tus necesidades no se ajustan, entonces mira a los Gestores Digitales.

Veamos algunos ejemplos.

Ejemplo 1

Supongamos que nuestro diseño necesita los siguientes carriles:

1V / 20A

3.3V / 8A

5V / 5A

Un POL doble con PMBus y un POL simple con PMBus funcionarán bien a estos niveles de potencia. Dispositivos como el LTC3880 y el LTC3883 son adecuados para este nivel de potencia y superior.

Ejemplo 2

1V / 40A

5V / 100mA

3.3V / 10A

3.3V / 200mA (bajo ruido)

En este ejemplo, hay grandes diferencias en el nivel de potencia, y uno de los carriles de 3,3 V debe ser de bajo ruido. El raíl de 3,3 V de bajo ruido justifica un LDO. Asume que el carril de 5V no encaja bien en el POL con el PMBus. Puedes hacerlo, pero puede que pagues demasiado por el aparato, o que el espacio de la placa sea demasiado grande. Quizá para los raíles de potencia más altos de 1V y 3,3V, confiaste en las soluciones existentes. Un driver digital como el LTC2974 y 4 POLs serían una buena solución.

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Ejemplo complejo

¿Qué pasa con los sistemas con un número muy grande de carriles? Si hay muchos carriles, es muy probable que algunos carriles sean tratados como el ejemplo 1, y otros como el ejemplo 2. La buena noticia es que ambos diseños utilizan el mismo PMBus, por lo que, desde el punto de vista del firmware, el mundo se parece a un PMBus con muchos carriles.

Conseguir que las cosas funcionen bien

En mi entrada del blog sobre la secuenciación He hablado de la sincronización temporal y de la gestión de fallos. Para que estas diferentes estructuras de diseño funcionen bien, es útil utilizar dispositivos que tengan un enfoque coherente en cuanto a la configuración, la secuenciación, la gestión de fallos y el reparto de energía. No todos los proveedores utilizan un conjunto coherente de mecanismos, así que aquí tienes una lista de cosas que debes buscar.

Estos elementos te ayudarán:

  • Un reloj compartido para que todos los dispositivos funcionen a la misma velocidad de reloj interna
  • Un mecanismo de sincronización para que todos los aparatos tengan el mismo tiempo cero
  • Un mecanismo de fallos compartido para que todas las partes sepan cuándo se produce un fallo
  • Un mecanismo de inicio/ejecución/reinicio compartido para que todas las partes se inicien juntas
  • Un enfoque coherente del reparto del poder
  • Un pin de alerta compartido para que el host PMBus sepa cuándo se produce un fallo en el carril
  • Un PMBus compartido para que el anfitrión del PMBus pueda controlar todos los carriles
  • Una única herramienta de configuración para que todos los raíles se gestionen en una sola pantalla
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La especificación del PMBus no aborda los 5 primeros puntos de la lista, ni el último, y no hay normas de facto. Esto significa que tienes que tener un poco de cuidado al mezclar y combinar dispositivos de diferentes proveedores. De hecho, a menudo no puedes mezclar dispositivos del mismo proveedor. Así que tienes que cotejar esta lista con cualquier cartera de productos antes de comprometer demasiados recursos.

Nota: Hay una advertencia: si utilizas los POL de un proveedor con PMBus, y el Gestor Digital del mismo proveedor, es bastante fácil integrar los POL de cualquier proveedor. El Gestor Digital te permite pegar casi cualquier cosa con una clavija de retorno. Así nunca estarás atrapado. Por eso, a largo plazo, tiene sentido empezar con un proveedor que tenga una buena familia de Gestores Digitales si utilizas sus POL con PMBus.

Acabado

He presentado dos opciones de diseño genérico, un POL con PMBus añadido, y un Gestor Digital que puede manejar varios POL. Estos diseños básicos también pueden mezclarse en sistemas más grandes. Las compensaciones implican divisiones naturales en las funciones, por lo que los POL con PMBus están optimizados para nichos y pueden ser muy eficientes, pero los Gestores Digitales ofrecen mucha flexibilidad.

Esta flexibilidad no implica necesariamente un mayor o menor coste, ya que el coste total depende de los POL que se utilicen con ellos. Los sistemas construidos con cualquiera de los dos diseños o con un diseño mixto se benefician de una estrategia coherente para la sincronización y los fallos que no cubre el propio PMBus. Tener un buen gestor digital permite mezclar piezas de diferentes proveedores.

La conclusión es:

  • Los POL con PMBus, los Gestores Digitales y los POL tradicionales son los bloques de construcción del sistema
  • Los mecanismos coherentes facilitan en gran medida la integración, incluida la lógica de secuencias y de fallos
  • Los buenos manipuladores digitales permiten la integración de cualquier POL, incluidos los LDOs
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