Maksimer gevinster ved hjælp af Miniaturized PoL-konvertere

Strømforsyningskrav til systemer er i dag en udfordring, hvor designere skal løse problemer som f.eks. flere forsyningsspændinger, spændingssekvensering, høje transiente belastningsstrømme og overdreven varme. I stedet for at løse disse problemer ved systemets strømforsyning er det mere fordelagtigt at indføre foranstaltninger på PCB-niveau (printkort), hvilket betyder, at der er behov for en form for Point-of-Load-konverter (PoL). Da de fleste designingeniører skal opfylde markedets behov for mindre, mere effektive systemkoncepter, er der stor efterspørgsel efter miniature PoL-strømforsyninger. Men da ikke alle PoL-konvertere er ens, skal flere faktorer tages i betragtning, før der træffes beslutninger om indkøb

Mange vigtige tendenser har domineret elektronikindustrien i de seneste år, og ikke mindst industriens skift væk fra centraliserede strømforsyningssystemer og endda fra decentrale eller distribuerede strømforsyningsarkitekturer (DPA). I stedet foretrækker man nu mellemliggende busarkitekturer (IBA), hvor en isoleret front-end DC/DC-konverter forsyner flere små ikke-isolerede DC/DC-konvertere (kendt som Point-of-Load/PoL-konvertere), der er placeret i nærheden af de belastninger, de forsyner (figur 1).

Figur 1: PoL-konvertere som denne PMU8318 fra Flex Power Modules er et alternativ til centraliserede strømforsyningssystemer. (Billedkilde: Flex Power Modules)

I forbindelse med anvendelsen af PoL-konvertere er der opstået en anden række tendenser, herunder behovet for stadig større ydeevne, lavere omkostninger og miniaturisering af systemer/komponenter. De nyeste elektroniske enheder er ikke blot hurtigere og smartere, de er også betydeligt mindre, lettere, mere strømtætte og mere effektive end tidligere generationer af produkter.

Denne faktor har enorme konsekvenser for designet af strømforsyninger. For det første er hver kvadratmillimeter PCB-ejendom meget værdifuldt, så jo mindre konverteren er, jo bedre er det. Men der er et andet spørgsmål, der skal tages i betragtning her. PoL-strømforsyninger løser udfordringen med høje spidsstrømsbehov og lave støjmarginer, som kræves af højtydende halvledere som f.eks. mikrocontrollere eller ASIC'er, primært ved at blive placeret tæt på deres anvendelsessted. Desværre ender mange designere med at lade overvejelser om strømforsyning ligge til sidste øjeblik på grund af deres stramme udviklingstidsplaner og komplekse boards. Som følge heraf er pladsen på printkortet ofte begrænset, så der kun er plads til en miniaturiseret enhed.

Et andet aspekt er alsidighed. Det er tilrådeligt at vurdere, om en PoL-konverter er egnet til både ASIC'er og FPGA'er, f.eks. Mens de fleste optimerede PoL-strømforsyninger er simple analoge (ikke digitale) løsninger, er det vigtigt at kunne betjene FPGA'er, da de er ved at blive mere populære blandt designere til en lang række applikationer.

FPGA'er har mange fordele i forhold til specialudviklede ASIC'er, herunder lavere omkostninger, et bredt udvalg af størrelser og mulighed for at rekonfigurere kredsløb. Selv om disse fordele er meget tiltrækkende for konstruktører, er der dog et problem. Hver FPGA vil kræve flere DC-spændingsforsyninger. Ofte er der brug for fire, seks eller flere DC-skinner, nogle med relativt høje strømme til kernen, men mange med meget lavere strømme. Derfor er et omhyggeligt valg af PoL-konverter afgørende, især fordi de nyeste FPGA'er (og ASIC'er) med høj tæthed bliver mere sofistikerede og krævende. Kort sagt kan ydeevne, effektivitet, kvalitet og fleksibilitet ikke ofres på grund af miniaturisering.

Men da PCB-ejendomme er meget dyre, er det ikke til at overse betydningen af størrelsen. Et vigtigt punkt er, at små PoL-konvertere ofte har en lav profil og er lette nok til at kunne anvendes på undersiden af et printkort, hvilket sparer mere plads og øger fleksibiliteten i designet. Sammenlign dette pladsbesparende koncept med større/tyngre/højere/højere PoL-strømforsyninger eller individuelle isolerede konvertere, som kun kan monteres på den ene side af printkortet, og fordelen er tydelig.

Desuden kan miniature PoL-konvertere placeres langt tættere på deres belastninger, hvilket igen giver en række vigtige fordele. Eksempelvis vil DC/DC-distributionstab blive minimeret, mens støjfølsomhed og EMI-emissioner vil blive overvundet. Desuden kan strøminduktanserne reduceres, hvilket giver en hurtigere reaktion på transienter.

Anvendelse af flere PoL-konvertere vil også gøre det meget lettere at levere de forskellige spændingsforsyninger, som typisk kræves af højspecificerede komponenter på de nuværende PCB'er.

Et andet område, der skal undersøges nøje, er den termiske ydeevne. Efterhånden som strømkomponenterne bliver mindre og tættere pakket, er potentialet for større varmeoverførsel mere udbredt. Det er imidlertid velkendt, at strømforbruget og dermed varmen skal holdes på et minimum for at undgå temperaturstigninger og potentiel upålidelighed samt de ekstra omkostninger ved at fjerne overskydende varme. Det bedste råd er derfor at læse PoL-konverterens datablad grundigt igennem, især når du kontrollerer dataene om termisk ydeevne og effektivitet. Oplysningerne om termisk ydeevne leveres ofte som en "deratingkurve", der viser, hvordan den maksimale effekt af en konverter afhænger af den omgivende temperatur og kølebetingelserne (figur 2).

Figur 2: PMU8318-produktets (12 VIN, 1_{VOUT-sætpunkt}, 6 A) kurve for nedtrapning af udgangsstrømmen viser, at strømmen forbliver stabil på 6 A uden luftstrøm, indtil temperaturværdien +105 °C er nået. (Billedkilde: Flex Power Modules)

Produktets effektivitetsdata findes også i en tilsvarende "effektivitetskurve" i databladet og skal gennemgås grundigt (figur 3).

Figur 3: Effektivitetskurven skal også tages i betragtning, når man vælger et POL. Her vises de typiske effektivitetsegenskaber for PMU8318-produktet (12 VIN, flere_VOUT- og skiftefrekvensniveauer vist, 6 A max). (Billedkilde: Flex Power Modules)

Det anbefales også, at systemdesignere søger efter yderligere funktionalitet, der potentielt kan øge ydeevnen. Nogle regulatorer indeholder f.eks. en sløjfeoptimeringsfunktion, der gør det muligt for ingeniører at optimere deres transiente respons for forskellige kapacitive belastninger og dermed øge fleksibiliteten i systemdesignet. Visse PoL-løsninger har også en konfigurerbar softstart- eller sporingsfunktion, som gør det nemmere og mere fleksibelt at designe tidsforløb.

Sammenfattende kan man sige, at miniature DC/DC-konvertere er velegnede til en lang række applikationer på printplader, hvor pladsen er trang. Sådanne regulatorer er kompakte og omkostningseffektive og giver mange generiske projektfordele, f.eks. kortere udviklingscyklusser, lettere kvalificeringsarbejde, fleksibilitet i designplaceringen, højere kvalitetsniveauer og besparelser i udviklingsomkostningerne.

For at imødekomme den løbende efterspørgsel efter miniature PoL-regulatorer sælger Flex Power Modules sin kompakte produktfamilie gennem DigiKey, som giver et fremragende pris/ydelsesforhold i en lille, lav profil og funktionsrig pakke. Effektiviteten er høj med typisk 95,3 %, mens den termiske ydeevne også er exceptionel, bl.a. fordi LGA-designet gør det muligt at overføre varme ned til værtskortet.

Disse miniature PMU8000 PoL-konvertere, som er pakket i en standardiseret formfaktor på markedet, kan anvendes på toppen eller bunden af printkortet, hvilket gør dem til en meget fleksibel løsning for designingeniører. Et fodaftryk dækker strømniveauer på 4 A, 6 A og 8 A, hvilket giver endnu mere fleksibilitet til systemdesignere, der ønsker at optimere strømdesignet. Desuden kan modulerne også fungere ved høje temperaturer (op til 105 °C) og under barske miljøforhold. Her betyder det robuste design, at den gennemsnitlige tid mellem fejl (MTBF) er specificeret til 171 timer. PoL-regulatorerne fra Flex Power Modules er velegnede til en lang række strømkonverteringsapplikationer, herunder FPGA'er, ASIC'er, netværksprocessorer, CPU'er og GPU'er, inden for sektorer som IKT (telekommunikation og datacom), industri, test og måling, IoT, jernbaner og medicin.