Effektiv levering af strøm med høj integritet til kritiske belastninger med minimal indvirkning på bordpladsen

Big Data-servere samt applikationer som maskinlæring, kunstig intelligens (AI), 5G-celler, IoT og virksomhedscomputere kræver ofte kraftige ASIC'er, FPGA'er, GPU'er og CPU'er, der kræver høj strøm ved lav spænding og høj effekttæthed i kompakte rum. For at sikre systemets samlede strømforsyningsintegritet anvendes distribuerede strømstyringssystemer, der bringer DC/DC-strømkilderne direkte til load-punktet (POL), dvs. de højtydende processorer. Der kan være mange sådanne DC/DC-strømkonvertere på et enkelt printkort, så problemet for designerne er at gøre disse enheder så små som muligt for at spare plads på printkortet. Samtidig skal de opfylde kravene til ydeevne, responstid, varme, effektivitet og pålidelighed, samtidig med at de forenkler designprocessen og holder omkostningerne nede.

Løsningen på denne matrix af problemer kombinerer højtydende halvledere og passive komponenter ved hjælp af avancerede pakningsteknologier for at opnå et højere niveau af systemintegration. Det har vist sig at give mindre størrelse og lavere profil sammenlignet med andre nuværende teknologier, samtidig med at den termiske styring forbedres. Samtidig holder den integrerede tilgang styr på designomkostningerne, herunder lagerstyring og udviklingstid.

I denne artikel diskuteres behovet for distribuerede elnet og den rolle, som POL-enheder spiller. Derefter præsenteres en klasse POL DC/DC-konverter fra TDK Corporation, som anvender avancerede pakningsteknikker til at opnå de krævede ydelsesegenskaber. Artiklen diskuterer også deres vigtigste egenskaber og viser, hvordan designere kan anvende dem til at opfylde deres krav til POL-strømforsyning med succes.

Hvorfor POL DC/DC-konverter strømkilder

Computere, servere og andet digitalt udstyr anvender i stigende grad FPGA'er, ASIC'er og andre avancerede IC-enheder, som kræver flere strømforsyningsspændinger, som ikke er tilgængelige fra systemets strømforsyning. Desuden kræver de disse spændinger i den korrekte rækkefølge med minimal forsinkelse. Systemstrømforsyninger leverer generelt en række faste spændinger som f.eks. 1, 3,3 og 5 volt. En typisk FPGA kræver spændinger i intervallet 1,2 til 2,5 volt (figur 1).

Figur 1: En typisk FPGA kræver flere spændinger dedikeret til specifikke funktioner i processoren. Den viste processor bruger otte dedikerede strømindgange, der anvender tre forskellige spændinger. (Billedkilde: Art Pini)

En FPGA kræver som minimum separate forsyninger til dens kerne og I/O-sektioner. FPGA'en i eksemplet kører med kernen ved 1,2 volt og I/O-funktionerne ved 2,5 volt. Desuden kræver den seks andre effektniveauer til sine hjælpekredsløb. Det er indlysende, at syv strømkilder placeret tæt på FPGA'en lægger en byrde på layoutdesignet af printkortet. Der skal også tages hensyn til varmeafledning, hvilket gør det nødvendigt, at strømkilderne er små og effektive.

Patenteret teknologi giver unik systemintegration

For at opfylde størrelseskravet har TDK udviklet et proprietært design til POL DC/DC-konvertere, som gør det muligt at undlade at placere diskrete komponenter side om side. I stedet anvender virksomheden 3D-integration baseret på sin system-i-pakke-teknologi (SiP) med Semiconductor Embedded in SUBstrate (SESUB). Højtydende halvledere med en PWM-controller (pulsbreddemodulation) og MOSFET'er er indlejret i et 250 mikrometer (µm) printpladesubstrat, som danner en step-down-konverter (buck-konverter). Udgangsinduktor og kondensatorer er også integreret i 3D-layoutet, hvilket skaber en ultrakompakt, termisk forbedret pakke (Figur 2).

Figur 2: Den patenterede SESUB-teknologi integrerer en avanceret strømstyrings-controller IC og MOSFET'er i et 250 mm substrat sammen med kredsløbets udgangsspole og kondensatorer for at danne et højt integreret DC/DC-konvertermodul. (Billedkilde: TDK Corporation)

En unik POL power-løsning

TDK har SESUB som grundlag for sin μPOL-serie (udtales "micro-POL") af miniature DC/DC-strømforsyningsmoduler. Produktfamilien, der betegnes som modellerne FS140x-xxxx-xx, findes i 19 forskellige varianter med udgangsspændingsniveauer på 5, 3,3, 2,5, 1,8, 1,5, 1,2, 1,1, 1,1, 1,05, 1, 0,9, 0,8, 0,75, 0,7 og 0,6 volt. De understøtter kontinuerlige belastningsstrømme fra 3 til 6 ampere (A) afhængigt af modellen og leveres i en pakke på 3,3 x 3,3 x 1,5 millimeter (mm) (Figur 3).

Figur 3: μPOL DC/DC-konverteren er kun 3,3 x 3,3 x 1,5 mm stor, men kan alligevel håndtere op til 15 watt. (Billedkilde: TDK Corporation)

På grund af deres unikke fysiske design kan denne DC/DC-konverterfamilie levere en effekttæthed på op til 1 watt pr. mm3, , hvilket gør det muligt for denne lille pakke at håndtere op til 15 watt.

Nominelle udgangsspændinger er indstillet på fabrikken med en nøjagtighed på ±0,5 %. Der er en I²C-grænseflade, som muliggør lokal styring af konverteren. Udgangsspændinger kan trimmes i ±5 millivolt (mV) trin omkring den forudindstillede nominelle spænding.

Et kig ind i en FS1406 μPOL-konverter

Det funktionelle blokdiagram for FS1406-1800-AL 1,8-volts DC/DC-konverteren viser, at enheden trods sin lille størrelse er fyldt med mange avancerede kredsløbsfunktioner (Figur 4).

Figur 4: Funktionsblokdiagrammet for FS1406-1800-AL DC/DC-konverteren, der viser omfanget af kredsløbets raffinement, herunder den interne PWM, I²C-porten, styrelogikken og udgangs-MOSFET'erne. (Billedkilde: TDK Corporation)

FS1406-1800-AL har en nominel udgang på 1,8 volt og en kontinuerlig belastningskapacitet på 6 A. Udgangsspændingen er I²C-programmerbar fra 0,6 til 2,5 volt. Den kræver en indgangsspænding på 4,5 til 16 volt og har et specificeret driftstemperaturområde fra -40 °C til +125 °C.

Hjertet i denne DC/DC-konverter er den proprietære PWM-modulator, der er designet til at give en hurtig, transient respons. PWM-modulatoren arbejder med en koblingsfrekvens, der er proportional med konverterens udgangsspænding. Den indeholder intern stabilitetskompensation, som passer til en række forskellige udgangskondensator-typer uden behov for eksterne kompensationsnetværk, hvilket gør den "plug-and-play". Modulatorens PWM-udgang driver gate-kredsløbet til MOSFET-strømforsyningsenhederne. Udgangsfilterinduktoren er som nævnt inkluderet i pakken, hvilket minimerer antallet af eksterne komponenter yderligere.

Bemærk, at FS1406 indeholder en intern LDO-spændingsregulator (Low Dropout), der kører ved ca. 5,2 volt for at forsyne det interne kredsløb og MOSFET'erne.

Designere bør også være opmærksomme på de indbyggede beskyttelsesfunktioner, som omfatter softstartbeskyttelse, en "Power Good"-statuslinje, overspændingsbeskyttelse, pre-biased opstart, termisk nedlukning med automatisk genopretning og termisk kompenseret overstrømsbeskyttelse med hikketilstand. Hiccup-tilstand slukker for strømforsyningen i en fast tidsperiode, hvis der registreres en overstrømshændelse, og gentager sekvensen, indtil fejlen er fjernet.

I²C-interfacet bruges til at indstille udgangsspændingen. Det giver også mulighed for at indstille systemoptimeringsparametre, herunder parametre for opstart og beskyttelsesfunktioner.

Typisk anvendelse

FS1406-familien er fuldt integreret og er fabriksjusteret til den specificerede målspænding, hvilket eliminerer behovet for en udgangsspændingsdeler. Designet kræver, at der tilføjes en minimal udgangskapacitet for at sikre acceptabel udgangsripple og belastningsregulering. Den kræver også en indgangskondensator for at kunne klare sit krav til indgangsstrømmen. De mindst nødvendige tilføjelser af kredsløbskomponenter er vist i figur 5.

Figur 5: I en typisk anvendelse kræver FS1406 μPOL DC/DC-konverterfamilien som minimum kun tilføjelse af indgangs- og udgangskondensatorer. (Billedkilde: TDK Corporation)

Indgangs- og udgangskondensatorerne skal have en lav ækvivalent seriemodstand. Keramiske kondensatorer med flere lag anbefales. Databladet for FS1406 indeholder detaljeret vejledning om beregning af både input- og outputkapacitansværdierne.

Evalueringskort hjælper designere med at komme i gang

Evalueringskortret til 1,8-voltsversionen af μPOL-konverteren er EV1406-1800A, som indeholder et design til en DC/DC-konverter med en 1,8-volts udgang og en 12-volts indgangskilde. Den leverer en udgangsstrøm på 0 til 6 A og måler 63 x 84 x 1,5 mm (Figur 6).

Figur 6: EV1406-1800A-evalueringskortet måler 63 x 84 x 1,5 mm; μPOL DC/DC-konverteren er fremhævet med gult, hvilket giver et billede af dens lille størrelse. (Billedkilde: TDK Corporation)

Størrelsen og strømforsyningskapaciteten af µPOL gør det muligt for flere af disse enheder nemt at passe rundt om en FPGA eller ASIC. Evalueringskortert har ud over et designeksempel også åbne gennemgående komponentplaceringer, så brugeren kan eksperimentere med input- og outputkapacitansværdierne. Den har også en header til valg af enten FS1406-1800's interne biasforsyning eller en ekstern spændingskilde. En anden header giver nem adgang til I²C-grænsefladen.

I²C-programmeringsdongle

TDK tilbyder TDK-MICRO-POL-DONGLE I²C-programmeringskortet TDK-MICRO-POL-DONGLE, som bruges til at variere udgangsspændingen i ±5 mV-trin. Det giver også mulighed for programmering af systemets beskyttelsesparametre. Donglen fungerer sammen med en gratis GUI-softwarepakke fra TDK, som gør det nemt at justere konverteren.

Konklusion

TDK mPOL-serien af 19 DC/DC-konvertere med 19 DC/DC-konvertere er en passende løsning til designere, der har brug for pålidelig POL-strømforsyning med høj integritet og minimal indvirkning på pladsen på printpladen. Familien understøtter fjorten almindelige udgangsspændingsniveauer, hvor hvert niveau kan justeres i ±5 mV-trin ved hjælp af en I²C-port. µPOL's unikke, patenterede SESUB-baserede konstruktion giver høj effekttæthed med minimale støttekomponenter.