En riktigt bra DC/DC-omvandlare kan ha en verkningsgrad uppåt 98-99 procent. Men siffran gäller bara under optimala förhållanden, det vill säga vid full last. I verkligheten varierar belastningen i en basstation eller serverhall under dygnets timmar. En hel del av effekten skulle därför försvinna i form av värme om det inte gick att styra omvandlarna på ett intelligent sätt.

– Vi har satsat fullt ut på digital teknik istället för att gå på en hybridlösning, säger Patrick Le Fèvre.

Beslutet fattades redan år 2000 och hänger samman med att den digitala plattformen ger större möjligheter att sänka energiförbrukningen än motsvarande analoga lösningar.

– Med digital pulsbreddsmodulering går det att styra på varje enskild händelse, det går att prediktera vad som kommer att ske och skapa en proaktiv profil för omvandlaren som är optimerad för just det förhållandet.

Patrick Le Fèvre Titel: Marketing and Communication Director at Ericsson – Power Modules. Född: 1958 i Draveil nära Paris. Bor: Vårby. Familj: Gift med Agnes, en elvaårig son. Karriär: Började på uppstartsföretaget Micro-G med att utveckla DC/DC-omvandlare. Värvades 1996 till Ericsson och utnämndes 2001 till marknadschef på Power Modules. Intressen: Brukade dyka och skärmflyga med det största intresset idag, förutom familjen, är engagemanget i olika miljö och hållbarhetsorganisationer.

Anpassar sig till lasten
Om man jämför en analog och en digital spänningsomvandlare brukar de ha ungefär samma verkningsgrad vid en last runt 80 procent. Den stora skillnaden kommer när lasten minskar, då sjunker effektiviteten snabbt i den analoga omvandlaren. Den digitala kan däremot behålla sin effektivitet ner till någonstans mellan 25 och 30 procents last.

Skillnaden hänger samman med att den digitala återkopplingen som gör det möjligt att anpassa switchfrekvensen efter last.

Men att omvandlaren är digital är ingen garanti för att den är effektiv. Det krävs också att de analoga bitarna med spänningsomvandlingen, inklusive effekttransistorn och filter, är har låga förluster.

– Vi var först med att integrera på keramiska substrat med snabba dioder. Vi var det första företaget som bondade okapslade schottkydioder för att slippa förlusterna i kapseln. 1998 introducerade vi synkron omvandling med MOSFET:ar.

Redan år 2000 började arbetet med att digitalisera omvandlarna och 2008 kom de första produkterna i den nya familjen som döpts till Frida. I början av året lanserades den andra generationen, Frida II.

Men att optimera själva omvandlarna, som i det här fallet sitter på kortet nära slutförbrukaren, är bara en del i det systemtänkande som finns på Ericsson.

Företaget har två grupper med runt 160 personer som sysslar med kraftförsörjning. Den ena delen, även kallad Board Power Solutions, sitter på Lindholmen i Göteborg och arbetar till 100 procent med att hjälpa Ericssonkoncernen att välja kraftlösningar. Det handlar om kraftförsörjning baserade på företagets egna moduler men också lösningar med konkurrerande fabrikat och på diskreta lösningar när det är att föredra framför moduler.

Exponeras för marknaden
I Kista och Kalmar finns Ericsson Power Modules som utvecklar DC/DC-omvandlare, små moduler som man hittar nära förbrukarna på kretskorten. Omvandlarna går ofta under beteckningen POL, point-of-load.

Den största avnämaren är såklart Ericssonkoncernen som liksom övriga kunder finns inom IT-industrin. Omvandlarna kan hamna i allt från basstationer till servrar och datalagringssystem.

– Att vi säljer våra produkter på marknaden handlar inte bara om att tjäna pengar, vi blir exponerade för fler kunder och kan känna av trenderna, säger Patrick Le Fèvre.

Trots skillnaderna i användningsområden är sänkt energiförbrukning ett gemensamt mål för alla kunder. För gör man en livscykelanalys för en IT-produkt är energiförbrukningen under drift den stora boven.

– När man kombinerar en digital POL-omvandlare med en överordnad mjukvara går det att göra mycket.

Beroende på tillämpning kan den överordnade mjukvaran läsa av till exempel temperaturen och effektförbrukningen för att sedan justera exempelvis kylningen av korten.

Standardiserade kommandon
Kommunikationen med den överordnade mjukvaran sker via PM-bussen – Power Management Bus – som är en vidareutveckling av den äldre SM-bussen som i sin tur baseras på I2C-bussen. PM-bussen ger ett standardiserat sätt att kommunicera med spänningsomvandlare oavsett fabrikat. Och hela branschen har deltagit, från halvledartillverkare upp till systemhus. Den första versionen var klar år 2005. För att kunna använda bussen fullt ut krävs en licens från Power One, något som Ericsson skaffade för lite drygt två år sedan.

– Runt 90 procent av kommandona är standardiserade, det gäller bland annat kommandon för övervakning och styrning.

Det finns alltså utrymme för tillverkarspecifika kommandon. Eftersom bussen i grund och botten är en I2C-buss är den inte särskilt snabb. Varje tillverkare har därför egna bussar för kommunikation mellan sina produkter. Så vill man koppla två produkter parallellt måste de komma från samma tillverkare för att styrningen ska fungera.

– Vi arbetar på att lösa det.

I den senaste produkten finns det plats i minnet för kunderna att ladda in egna profiler för hur omvandlarna ska anpassa sig till rådande förhållanden.

– Det är lite som ett trafikljus. Det har ett förutbestämt intervall mellan omslagen men om det händer något speciellt kan en människa på en trafikledningscentral gå in och styra det manuellt.

En parameter som går att styra i telekomsystem är den mellanspänning som finns mellan inkommande 48 volt och den spänning som POL-omvandlarna ska leverera. Beroende på lasten justeras mellanspänning i tre olika steg vilket minskar förlusterna i POL-omvandlarna som sitter på korten.

Men allt är inte bättre och enklare med digital kraft. Det blir till exempel betydligt svårare att klara telekomvärldens krav på att ett reservaggregat snabbt kopplas in om huvudaggregatet på 48 V går sönder. Bytet måste ske utan att spänningarna på kortet hackar.

– Det går att göra digitalt men man behöver ha extremt snabb feed forward i omvandlarna för att klara det.

Samarbetar med komponentleverantörerna
Ericsson arbetar nära alla komponentleverantörer och får normalt information om kommande produkter flera år innan de lanseras. Ibland hjälper man till i utvecklingsarbetet vilket bland annat gör det möjligt att ha mjukvaran klar samtidigt som komponenten blir kommersiellt tillgängliga.

– Det är en fördel för bägge parter och ger oss en viss prioritet. Samtidigt innebär det att vi får ta vissa risker när vi gör valen så tidigt som fem år innan produkten kommer.

Det gäller till exempel den Arm-krets från Texas Instruments som används för att styra den senaste generationen DC/DC-omvandlaren Frida II.

När TI startade utvecklingen använde i princip alla en signalprocessor för styrningen. Men en Arm-kärna är mer generell och kan användas för andra uppgifter än bara styrning. Dessutom är kretsen designad för att driva just MOSFET-transistorer.

Exotiska material som galliumnitrid har potentialen att lyfta transistorernas verkningsgrad ytterligare någon procentenhet.

– Vi har tittat på området i nästan tio år och tror att det kommer att fungera men än så länge finns det för många tekniska problem och för få leverantörer för att vi ska byta.

Enligt Patrick Le Fèvre finns det företag som lanserat produkter baserade på GaN men de har aldrig gått att köpa.

En del i företagets strategi är att patentera olika förbättringar och sedan licensiera ut valda delar.

– Vi anser att det gynnar teknikutvecklingen.

Men inom kraftvärlden finns inga överenskommelser som i telekomvärlden där företagen är tvungna att dela med sig av grundläggande patent på ett rättvist och icke diskriminerande sätt.

– Vi försöker inför det tankesättet.

På väg mot en kilowatt
Spännvidden på hur mycket effekt olika kort behöver är så klart stor. Det finns kort vars applikation endast behöver lägre effekter, men i data- och telekomsammanhang liksom i centra för datalagring ligger effektförbrukningen per kort runt 600 till 700 watt per kort. Och trenden pekar uppåt.

– Man är på väg mot 1 kilowatt.

Så höga effekter kräver mycket kraftiga kopparledare, man kan nästa prata om kopparstänger, vilket såklart blir dyrt och oflexibelt.

En idé är därför att använda flera parallellkopplade DC/DC-omvandlare som sprids ut på kortet och slås på och av vart­efter effektbehovet varierar.

– Än så länge handlar det om experimentell forskning men på sikt påverkar det också arbetet för konstruktörerna som måste fundera på var de ska placera omvandlarna, säger Patrick Le Fèvre.