Efektivní dodávání vysoce integrovaného napájení do kritických zátěží s minimálním dopadem na místo na desce

Servery velkých dat stejně jako aplikace, jako je strojové učení, umělá inteligence (AI), 5G buňky, IoT a firemní computing, často potřebují výkonné ASIC, FPGA, GPU a CPU, které vyžadují vysoké proudy při nízkém napětí a vysokou hustotu výkonu v kompaktní velikosti. K zajištění celkové integrity napájení systému se používají distribuované systémy řízení spotřeby energie, které přivádějí DC/DC napájecí zdroje přímo k místu zátěže („point-of-load“, POL), tj. k vysoce výkonným procesorům. Na jedné desce může být mnoho takových DC/DC měničů výkonu, takže problém, kterému konstruktéři čelí, spočívá v tom, že tato zařízení musí být co nejmenší, aby se ušetřilo místo na desce. Zároveň musí splňovat požadavky na výkon, latenci, teplotu, účinnost a spolehlivost a přitom zjednodušit proces návrhu a udržet nízké náklady.

Řešení této matice problémů kombinuje vysoce výkonné polovodiče a pasivní součástky s využitím pokročilých technologií pouzder k realizaci vyšších úrovní integrace systému. Bylo prokázáno, že to umožňuje dosáhnout menší velikosti při nižším profilu ve srovnání s jinými aktuálně dostupnými technologiemi a zároveň se také zlepší regulace tepla. Integrovaný přístup zároveň udržuje na uzdě náklady na návrh, včetně řízení zásob a doby vývoje.

Tento článek pojednává o potřebě distribuovaných napájecích sítí a roli napájecích zařízení pro místa zátěže. Poté se zde představí třída DC/DC převodníků pro místa zátěže od společnosti TDK Corporation, které využívají pokročilé techniky pouzdra k dosažení požadovaných charakteristik výkonu. Článek také pojednává o jejich hlavních vlastnostech a ukazuje, jak je mohou konstruktéři nasadit, aby úspěšně splnili požadavky na napájení míst zátěže.

Proč napájecí zdroje DC/DC převodníků pro místa zátěže

Počítače, servery a další digitální zařízení stále častěji používají FPGA, ASIC a další pokročilá zařízení IO, která vyžadují více napájecích napětí, která nejsou dostupná ze systémového napájecího zdroje. Navíc vyžadují tato napětí ve správném pořadí a s minimální latencí. Systémové napájecí zdroje obecně poskytují řadu pevných napětí, jako je 1, 3,3 a 5 voltů. Typické FPGA vyžaduje napětí v rozsahu 1,2 až 2,5 voltu (obrázek 1).

Obrázek 1: Typické FPGA vyžaduje více napětí vyhrazených pro specifické funkce v procesoru. Zobrazený procesor používá osm vyhrazených napájecích vstupů využívajících tři různá napětí. (Zdroj obrázku: společnost Art Pini)

FPGA vyžaduje minimálně samostatné napájení pro jádro a I/O sekce. FPGA v příkladu běží s jádrem při 1,2 V a I/O funguje s 2,5 V. Kromě toho vyžaduje šest dalších úrovní napájení pro pomocné obvody. Je zřejmé, že umístění sedmi napájecích zdrojů v těsné blízkosti FPGA představuje pro návrh rozložení desky plošných spojů zátěž. Je také třeba zvážit otázku rozptylu tepla, takže je nutné, aby zdroje energie byly malé a účinné.

Patentovaná technologie dosahuje jedinečné integrace systému

Ke splnění požadavku na velikost vyvinula společnost TDK vlastní návrh pro DC/DC převodníky pro místa zátěže, který nevyužívá uspořádání diskrétních součástek vedle sebe. Místo toho používá 3D integraci založenou na technologii modulu SIP (system-in-package) SESUB („Semiconductor Embedded in SUBstrate“, polovodiče zabudovaného do substrátu). Vysoce výkonné polovodiče obsahující řadič pulzně šířkové modulace (PWM). Tranzistory MOSFET jsou zabudovány do 250µm substrátu desky plošných spojů a tvoří snižovač napětí. Induktor výstupního obvodu a kondenzátory jsou také integrovány do 3D uspořádání a vytvářejí ultrakompaktní, tepelně vylepšené pouzdro (obrázek 2).

Obrázek 2: Patentovaná technologie SESUB integruje pokročilý řadič výkonu IO a tranzistory MOSFET do 250µm substrátu spolu s induktorem výstupního obvodu a kondenzátory, aby vytvořily vysoce integrovaný modul DC/DC převodníku. (Zdroj obrázku: společnost TDK Corporation)

Jedinečné řešení napájení pro místa zátěže

Společnost TDK využívá technologii SESUB jako základ své řady μPOL (vyslovuje se „mikro POL“) miniaturních DC/DC napájecích modulů. Řada výrobků označená jako modely FS140x-xxxx-xx se dodává v 19 možnostech s úrovněmi výstupního napětí 5, 3,3, 2,5, 1,8, 1,5, 1,2, 1,1, 1,05, 1, 0,9, 0,8, 0,75, 0,7 a 0,6 voltu. Modely podporují v závislosti na modelu trvalý zátěžný proud od 3 do 6 A a dodávají se v pouzdrech o rozměrech 3,3 × 3,3 × 1,5 mm (obrázek 3).

Obrázek 3: DC/DC převodník μPOL má pouze 3,3 × 3,3 × 1,5 mm, přesto zvládne až 15 wattů. (Zdroj obrázku: společnost TDK Corporation)

Díky svému jedinečnému fyzickému designu může tato řada DC/DC převodníků dodávat hustotu výkonu až 1 watt na mm³, což tomuto malému pouzdru umožňuje zvládnout až 15 wattů.

Jmenovitá výstupní napětí jsou z výroby nastavena v rámci ±0,5 %. Součástí je rozhraní I²C, které umožňuje místní ovládání převodníku. Výstupní napětí lze od přednastaveného jmenovitého napětí upravovat v krocích po ±5 mV.

Pohled dovnitř převodníku FS1406 μPOL

Funkční blokové schéma 1,8voltového DC/DC převodníku FS1406-1800-AL ukazuje, že i přes své miniaturní rozměry je zařízení nabito spoustou sofistikovaných funkcí obvodu (obrázek 4).

Obrázek 4: Funkční blokové schéma DC/DC převodníku FS1406-1800-AL ukazující rozsah sofistikovanosti obvodu, včetně interní PWM, portu I²C, řídicí logiky a výstupních tranzistorů MOSFET. (Zdroj obrázku: společnost TDK Corporation)

Model FS1406-1800-AL má jmenovitý výstup 1,8 V a schopnost trvalého zatížení 6 A. Jeho výstupní napětí je I²C programovatelné od 0,6 do 2,5 V. Vyžaduje vstupní napětí 4,5 až 16 voltů a má specifikovaný rozsah provozních teplot od −40 °C do +125 °C.

Jádrem tohoto DC/DC převodníku je proprietární modulátor PWM navržený tak, aby poskytoval rychlou, přechodnou odezvu. Modulátor PWM pracuje se spínací frekvencí úměrnou výstupnímu napětí převodníku. Zahrnuje vnitřní kompenzaci stability, která jej přizpůsobuje různým typům výstupních kondenzátorů bez potřeby externích kompenzačních sítí, takže jde v podstatě o řešení „plug-and-play“. Výstup PWM modulátoru řídí obvod hradla pro výkonová zařízení MOSFET. Induktor výstupního filtru, jak již bylo zmíněno, je součástí pouzdra, což externí komponenty dále minimalizuje.

Všimněte si, že model FS1406 obsahuje vnitřní regulátor napětí s nízkým úbytkem (LDO), který běží na přibližně 5,2 V pro napájení vnitřních obvodů a tranzistorů MOSFET.

Konstruktéři by také měli vzít na vědomí vestavěné ochranné funkce, které zahrnují ochranu měkkého startu, stavový řádek „Power Good“, ochranu proti přepětí, spouštění s předpěťovým obvodem, tepelné vypínání s automatickou obnovou a tepelně kompenzovanou ochranu proti nadproudu s režimem hiccup. Režim hiccup při detekci události nadproudu vypne na pevně stanovenou dobu napájení a sekvenci opakuje, dokud není závada odstraněna.

K nastavení výstupního napětí se používá rozhraní I²C. Umožňuje také nastavení parametrů optimalizace systému, včetně těch pro spouštěcí a ochranné funkce.

Typická aplikace

Řada FS1406 je plně integrována a je z výroby upravena na své specifikované cílové napětí, čímž se eliminuje potřeba děliče výstupního napětí. Konstrukce vyžaduje přidání minimální výstupní kapacity, aby bylo zajištěno přijatelné zvlnění výstupu a regulace zátěže. Vyžaduje také vstupní kondenzátor, aby byl zvládnut požadavek na vstupní proud. Minimální požadované doplňky součástí obvodu jsou znázorněny na obrázku 5.

Obrázek 5: V typické aplikaci vyžadují DC/DC převodníky řady FS1406 μPOL minimálně pouze doplnění vstupních a výstupních kondenzátorů. (Zdroj obrázku: společnost TDK Corporation)

Vstupní a výstupní kondenzátory by měly mít nízký ekvivalentní sériový odpor. Doporučují se vícevrstvé keramické kondenzátory. Katalogový list modelu FS1406 poskytuje podrobné pokyny pro výpočet hodnot vstupní i výstupní kapacity.

Vyhodnocovací desky pomáhají konstruktérům začít

Vyhodnocovací deskou pro 1,8voltovou verzi převodníku μPOL je model jeEV1406-1800A, který poskytuje návrh DC/DC převodníku s 1,8V výstupem a 12V vstupním zdrojem. Dodává výstupní proud od 0 do 6 A a měří 63 × 84 × 1,5 mm (obrázek 6).

Obrázek 6: Vyhodnocovací deska EV1406-1800A má rozměry 63 × 84 × 1,5 mm. DC/DC převodník μPOL je zvýrazněn žlutě, což nabízí perspektivu na jeho miniaturní velikost. (Zdroj obrázku: společnost TDK Corporation)

Velikost a schopnost zařízení µPOL dodávat napájení umožňuje, aby se několik těchto zařízení snadno vešlo na FPGA nebo ASIC. Vyhodnocovací deska kromě toho, že poskytuje příklad návrhu, má umístění součástí s otevřenými průchozími otvory pro experimentování uživatelů s hodnotami vstupní a výstupní kapacity. Má také patici pro výběr buď interního zdroje předpětí FS1406-1800, nebo externího zdroje napětí. Další patice poskytuje snadný přístup k rozhraní I²C.

Programovací dongle I²C

Jako pomůcku pro návrh nabízí společnost TDK programovací desku I²C TDK-MICRO-POL-DONGLE, která se používá pro změnu výstupního napětí v krocích po ±5 mV. Umožňuje také programování parametrů ochrany systému. Dongle pracuje s bezplatným softwarovým balíčkem GUI dodávaným společností TDK, což usnadňuje nastavení převodníku.

Závěr

Pro konstruktéry, kteří požadují spolehlivé, vysoce integrované napájení pro místa zátěže s minimálním dopadem na místo na desce, nabízí řada 19 DC/DC převodníků µPOL společnosti TDK vhodné řešení pro širokou škálu aplikací. Tato řada podporuje čtrnáct běžných úrovní výstupního napětí, přičemž každá je pomocí portu I²C nastavitelná v krocích po ±5 mV. Jedinečná, patentovaná konstrukce řady µPOL založená na technologii SESUB poskytuje vysokou hustotu výkonu s minimem podpůrných součástí.