Brug integrerede step-down DC/DC-moduler til høj densitet, effektiv strømkonvertering med lav EMI

Da niveauet for integration og spredning af elektroniske enheder stiger, er designere under konstant pres for at forbedre effektiviteten, mens de sænker omkostningerne, størrelsen og elektromagnetisk interferens (EMI). Mens strømforsyninger er forbedret i effekttæthed og effektivitet, står designere nu også over for udfordringen med at udvikle multi-rail-strømløsninger til heterogene behandlingsarkitekturer, der kan omfatte en blanding af ASIC'er, DSP'er, FPGA'er og mikrokontroller.

Step-down DC/DC-konvertere bruges traditionelt til at drive sådanne arkitekturer, men med et stigende antal strømskinner anvendes brugen af traditionelle diskrete step-down DC/DC-konvertere med en styrings-IC og interne eller eksterne strøm-MOSFET'er plus eksterne induktorer og kondensatorer - kan være komplekse og tidskrævende. I stedet kan designere bruge selvstændige, step-down DC/DC-konvertermoduler med flere skinner og programmerbar sekventering, der bedre styrer EMI, har mindre genereret varme og mindre fodaftryk.

Denne artikel gennemgår strømforsyningssystemets behov for indlejrede design og diskuterer forskellige tilgange, og hvad designere skal overveje, inden de introducerer konceptet med selvstændige, step-down DC/DC-moduler. Det bruger derefter en prøveenhed fraMonolithic Power Systems for kort at gennemgå design- og layoutovervejelser, som designere skal huske på for at maksimere ydelsesfordelene ved disse moduler.

Hvorfor integrerede systemer har brug for mange strømskinner

Indlejrede designs såsom 5G-basestationer er beregnet til at understøtte stadigt stigende datavolumenkrav fra smartphones og smartforbundne enheder i applikationer som hjemme- og industriel automatisering, autonome køretøjer, sundhedspleje og smarte bærbare enheder. Sådanne basestationer bruger typisk en 48 volt indgangsforsyning, der trækkes ned af DC/DC-konvertere til 24 volt eller 12 volt, og derefter går yderligere ned til de mange underskinner, der spænder fra 3,3 volt til mindre end 1 volt til strøm ASIC'er, FPGA'er, DSP'er og andre enheder i basebåndsbehandlingstrinnene. Ofte har strømskinnerne brug for sekventering til opstart og nedlukning, hvilket yderligere tilføjer strømsystemets kompleksitet for designere.

I eksemplet med 5G-basestationer kan den traditionelle CPU i sig selv ikke længere opfylde processorkravene. Der er dog fordele ved at bruge et acceleratorkort med en FPGA til systemkonfigurerbarhed, fleksibilitet, kort udviklingscyklus, meget parallel computing og lav responstid. Men den ledige plads til FPGA-strømforsyningen krymper, og kravene til power-rail-ydelse er komplicerede (figur 1):

• Offset for udgangsspænding: Spændingsskinnens udgangsspændingsafvigelse skal være mindre end ±3%, og der skal være tilstrækkelig margen i designet. Ved at optimere kontrolsløjfen for at øge båndbredden og sikre dens stabilitet skal afkoblingskondensatoren påføres og designes omhyggeligt.
• Monoton start: Starten på alle spændingsskinner skal stige monotont, og designet skal forhindre, at udgangsspændingen vender tilbage til sin startværdi.
• Udgangsspændingsrippel: I steady state-drift skal udgangsspændingsrimlen for alle spændingsskinner (undtagen den analoge spændingsskinne) højst være 10 millivolt (mV).
• Timing: FPGA'er skal opfylde specifikke timingkrav under opstart og nedlukning.

Figur 1: På grund af stigende computerkrav er størrelsen på processoren på acceleratorkort vokset, hvilket giver lidt plads til strømforsyningen. (Billedkilde: Monolitiske kraftsystemer)

Processorer kræver mere strøm og strøm, da kravene til databehandling af båndbredde bliver mere krævende. Beregningstætheden og kravene til hastighed med floating-point for acceleratorkort bliver også sværere for industrien at opfylde. Accelerator-kortsporet er normalt PCIe-standardiseret, så kortets størrelse er fast. På grund af stigende computerkrav er størrelsen på processoren vokset, hvilket giver lidt plads til strømforsyningen.

Alternativer til design af elsystemet

Brugen af traditionelle diskrete step-down DC/DC-konvertere med en styrings-IC og intern eller ekstern strøm-MOSFET plus eksterne induktorer og kondensatorer er en tilgang til indbygget systemtilførsel. Som diskuteret ovenfor er det en kompleks og tidskrævende proces for designere, når der er behov for flere jernbaneløsninger. Ud over hensynet til effektivitetsmaksimering og minimering af løsningsstørrelse skal designere være forsigtige med filterkomponentlayout og placering for at minimere ledet og udstrålet EMI forårsaget af omskiftningsstrømme i konverter- og induktorkredsløbene (figur 2).

Figur 2: Diskrete nedadgående DC / DC-konvertere har flere EMI-kilder, som designere skal administrere. (Billedkilde: Monolitiske kraftsystemer)

DC/DC-konvertere genererer typisk ledet EMI via magnetfelter fra den nuværende sløjfevej dannet mellem udgangseffekt MOSFET-switchingnode til jord og inputkondensatoren til jord. De genererer også udstrålet elektrisk felt EMI fra MOSFET-switchnoden til induktorforbindelsen, som har en høj dV/dt, da den skifter fra det høje indgangsspændingsniveau til jorden kontinuerligt og fra de elektromagnetiske felter, der genereres inden i induktoren. Manglende overholdelse af designet resulterer ofte i tidskrævende EMI-laboratorietest og flere gentagelser af design.

En fireskinneløsning til strømforsyning til en ASIC eller FPGA ved hjælp af diskrete step-down DC/DC-konvertere kan optage 1220 kvadratmillimeter (mm² (Figur 3). Det kan reduceres til ca. 350 mm² ved hjælp af en strømstyrings-IC (PMIC) -baseret løsning. Som et alternativ kan designere bruge et selvstændigt quad-output DC/DC-konvertermodul til at reducere løsningsstørrelsen til kun 121 mm², samtidig med at det forenkler designprocessen og fremskynder time-to-market. Fremskridt inden for halvlederprocessteknologi og pakkekonstruktion betyder, at de nyeste generationer af DC/DC-moduler opnår meget høj effekttæthed, høj effektivitet og god EMI-ydeevne i en lille formfaktor.

Figur 3: Brug af en integreret DC / DC-modulløsning kan spare op til 90% af kortets plads sammenlignet med en diskret løsning. (Billedkilde: Monolitiske kraftsystemer)

Nye konstruktionsteknikker, såsom flip-chip i pakken og "mesh-connect" blyrammeteknologi betyder, at IC, induktor og passive kan monteres direkte på blyrammen uden trådbinding eller et ekstra internt printkort (figur 4 ). Sammenlignet med ældre konstruktionsformer, der bruger et internt pc-bordsubstrat eller trådbinding, kan forbindelsessporlængder minimeres, og direkte forbindelse til passive komponenter holder induktansen lav for at minimere EMI.

Figur 4: En ny konstruktionsform, der bruger blyrammen til sammenkoblinger, har en række fordele: EMI er bedre kontrolleret, varmeafledning forbedres, og fodaftrykstørrelsen reduceres. (Billedkilde: Monolitiske kraftsystemer)

Brugen af et landnet array (LGA) pakkeformat, der overflademonteres direkte på målet pc-kortet, tilbyder en lavere EMI-profil end alternative single-in-line (SIL) eller SIL-pakke (SIP) stilkonvertere med ledninger, der kan udstråle EMI.

Quad-output programmerbare integrerede DC/DC-moduler

For at imødekomme multi-rail, høj effekt tæthed behov for integrerede systemer, kan designere henvende sig til MPM54304 fra monolitiske kraftsystemer (figur 5). MPM54304 er et komplet strømstyringsmodul, der integrerer fire højeffektive, step-down DC/DC-konverter, induktorer og en fleksibel logisk grænseflade. MPM54304 fungerer over et indgangsspændingsområde på 4 volt til 16 volt og kan understøtte et udgangsspændingsområde på 0,55 volt til 7 volt. De fire udgangsskinner kan understøtte strømme på op til 3 ampere (A), 3 A, 2 A og 2 A. De to 3 A-skinner og to 2 A-skinner kan paralleliseres for at give henholdsvis 6 A og 4 A. Designere skal bemærke, at den maksimale udgangsstrøm i parallel tilstand også er begrænset af den samlede strømforsyning. Dette giver fleksibiliteten til at generere flere outputkonfigurationer (underlagt de samlede begrænsninger for spredning af strøm):

• 3 A, 3 A, 2 A, 2 A
• 3 A, 3 A, 4 A
• 6 A, 2 A, 2 A
• 6 A, 4 A

Figur 5: MPM54304 er et komplet 4 volt til 16 volt input quad-output step-down strømstyringsmodul. (Billedkilde: Monolitiske kraftsystemer)

MPM54304 giver også intern sekventering til opstart og nedlukning. Skinnekonfigurationerne og sekventeringen kan forprogrammeres af den multiple-time programmerbare (MTP) e-sikring eller gennem I²C-bus.

Denne DC/DC-konverter med fast frekvens konstant-på-tid (COT) kontrol giver hurtig forbigående respons. Dens standard 1,5 megahertz (MHz) switch-frekvens reducerer i høj grad den eksterne kondensatorstørrelse. Switch-clock er låst og faseforskudt fra buck-1 til buck-4 under kontinuerlig strømtilstand (CCM) drift. Udgangsspændingen kan justeres gennem I²C-bus eller forudindstillet af MTP e-sikringen.

Fuld beskyttelsesfunktioner inkluderer underspændingslås (UVLO), overstrømsbeskyttelse (OCP) og termisk nedlukning. MPM54304 kræver et minimalt antal eksterne komponenter og fås i en pladsbesparende LGA-pakke (7 mm x 7 mm x 2 mm) (figur 6). LGAs lave profil gør den velegnet til placering bag på kortet eller under en køleplade.

Figur 6: MPM54304's LGA-pakke giver en kompakt og lavprofil-løsning med lav EMI (billedkilde: monolitiske energisystemer)

Design og layout overvejelser

MPM54304 har en simpel ben-layout langs kanten, hvilket gør layout og printkortdesign lettere. Behovet for kun fem eksterne komponenter er den samlede løsning lille og kompakt. LGA-pakken gør det muligt for et solidt jordplan at dække det meste af området under modulet, hvilket hjælper med at lukke virvelstrømsløjfer og yderligere reducere EMI.

Denne step-down konverter har en diskontinuerlig indgangsstrøm og kræver en kondensator til at levere vekselstrøm til konverteren, samtidig med at DC-indgangsspændingen opretholdes. Designere skal bruge ESR-kondensatorer med lav ækvivalent serie for at opnå den bedste ydelse. Keramiske kondensatorer med X5R- eller X7R-dielektrikum anbefales på grund af deres lave ESR og små temperaturkoefficienter. Til de fleste applikationer er 22 mikrofarad (µF) kondensatorer tilstrækkelige.

Effektivt printkortlayout er afgørende for stabil drift af MPM54304. Et 4-lags pc-kort anbefales for at opnå bedre termisk ydeevne (figur 7). For de bedste resultater skal designere følge disse retningslinjer:

• Hold strømkredsen så lille som muligt
• Brug et stort jordplan til at oprette forbindelse direkte til PGND. Hvis det nederste lag er et jordplan, skal du tilføje vias nær PGND.
• Sørg for, at højstrømsstierne ved GND og VIN har korte, direkte og brede spor
• Anbring den keramiske indgangskondensator så tæt på enheden som muligt
• Hold indgangskondensatoren og IN så kort og bred som muligt
• Placer VCC-kondensatoren så tæt på VCC- og GND-stifterne som muligt
• Tilslut VIN, VOUT og GND til et stort kobberområde for at forbedre termisk ydeevne og langsigtet pålidelighed
• Adskil GND-inputområdet fra andre GND-områder på det øverste lag, og forbind dem sammen på de indre lag og bundlaget gennem flere vias
• Sørg for, at der er et integreret GND-område på det indre lag eller bundlag
• Brug flere vias til at forbinde strømplanerne til interne lag

Figur 7: Et fire-lags printkortlayout anbefales, når du bruger MPM54304 quad-output-strømmodul. (Billedkilde: Monolitiske kraftsystemer)

Konklusion

Efterhånden som behandlingsarkitekturer udvikler sig for at adressere meget krævende dataprogrammer, står designere over for udfordringen med at udvikle multi-rail strømløsninger, der kan understøtte øget processorkraft og elektronik i formfaktorer, der enten er statiske eller krympende. Nedstrøms DC/DC-konvertere er vigtige komponenter i design af strømløsninger til disse systemer, men kan være komplekse at implementere.

Som vist kan designere henvende sig til selvstændige, step-down DC/DC-konvertermoduler med flere strømskinner og programmerbar sekventering, hvilket forenkler designprocessen og fremskynder time-to-market. De nye konstruktionsteknikker, der muliggør disse selvstændige moduler, har også en række ydelsesfordele: EMI er bedre kontrolleret, varmeafledning forbedres, og størrelse affodaftryk reduceres.

Anbefalet læsning

1. Brug programmerbare strømmoduler til at fremskynde DC/DC-regulatordesign