Používání integrovaných snižovacích DC/DC modulů pro efektivní přeměnu energie s vysokou hustotou a nízkým EMI

S rostoucí mírou integrace a rozšiřování elektronických zařízení jsou konstruktéři pod konstantním tlakem na vylepšování efektivity a současné snižování nákladů, rozměrů a elektromagnetického rušení (EMI). Zatímco hustota výkonu a efektivita napájecích zdrojů se vylepšila, konstruktéři nyní čelí výzvě k vývoji řešení napájení s několika úrovněmi pro architektury s heterogenním zpracováváním, které mohou zahrnovat kombinaci ASIC, DSP, FPGA a mikrokontrolérů.

K napájení těchto architektur se tradičně používají snižovací DC/DC převodníky. Avšak s rostoucím počtem úrovní napájení může být použití tradičních diskrétních snižovacích DC/DC převodníků s řídicím integrovaným obvodem a interními nebo externími tranzistory MOSFET –a navíc i externími induktory a kondenzátory – velmi složité a časově náročné. Namísto toho mohou konstruktéři používal samostatné snižovací DC/DC převodníkové moduly s několika úrovněmi a programovatelnou sekvencí, které lépe řídí elektromagnetické rušení (EMI), generují méně tepla a mají menší rozměry.

Tento článek se zabývá požadavky napájecího systému vestavěných konstrukcí a rozebírají se v něm různé přístupy a co všechno musí konstruktéři zvažovat, než představí koncept samostatných snižovacích DC/DC modulů. Ke stručné orientaci ohledně toho, na co všechno musí konstruktéři při návrhu a rozložení pamatovat, aby maximalizovali výhody v oblasti výkonu těchto modulů, je jako ukázka v článku použito zařízení společnosti Monolithic Power Systems.

Proč vestavěné systémy potřebují mnoho úrovní napájení

Vestavěné návrhy, jako jsou 5G základnové stanice, jsou určeny k řešení požadavků na stále rostoucí objemy dat z chytrých telefonů a chytrých připojených zařízení v aplikacích, jako jsou automatizace v domácnostech a průmyslové automatizace, autonomní vozidla, zdravotnictví a chytrá nositelná elektronika. Tyto základnové stanice obvykle vyžadují 48V vstupní zdroj, který DC/DC převodníky snižují na 24 V nebo 12 V. Toto napětí se dále snižuje do mnoha dílčích napěťových úrovní od 3,3 V na méně než 1 V, které napájí ASIC, FPGA, DSP a další zařízení pro zpracování základního pásma. Tyto úrovně napájení často potřebují sekvence ke spouštění a vypínání, což dále zvyšuje složitost napájecího systému.

V příkladu 5G základnových stanic již tradiční procesor není schopen plnit požadavky na zpracovávání. Pro pole FPGA nabízí použití akcelerační karty výhody, jako jsou rekonfigurovatelnost systému, flexibilita, krátký vývojový cyklus, vysoce paralelní computing a nízká latence. Zmenší se však dostupné místo pro napájecí zdroj FPGA a zkomplikují se požadavky na výkon úrovně napájení (obrázek 1):

• Offset výstupního napětí: Odchylka výstupního napětí napěťové úrovně musí být menší než ±3 % a v návrhu by měla být ponechána dostatečná rezerva. K optimalizaci řídicí smyčky ke zvýšení šířky pásma a zajištění její stability by měl být použit a pečlivě navrhnut oddělovací kondenzátor.
• Monotónní náběh: Náběh všech napěťových úrovní musí stoupat monotónně a návrh by měl zabraňovat, aby se výstupní napětí vrátilo na svou počáteční hodnotu.
• Zvlnění výstupního napětí: Při ustáleném provozu musí být zvlnění výstupního napětí všech napěťových úrovní (kromě analogové napěťové úrovně) maximálně 10 mV.
• Časování: Pole FPGA musí během spouštění a vypínání splňovat určité požadavky na časování.

Obrázek 1: Vzhledem k rostoucím výpočetním požadavkům roste velikost procesoru na akceleračních kartách, čímž zbývá jen malý prostor na napájecí zdroj. (Zdroj obrázku: společnost Monolithic Power Systems)

Se stále náročnějšími požadavky na šířku pásma zpracovávání dat vyžadují procesory více proudu a energie. Stále složitější je také splnit požadavky oboru na hustotu výpočtu a jeho rychlost s plovoucí desetinnou čárkou u akceleračních karet. Slot akcelerační karty je obvykle ve standardu PCIe, takže je velikost desky pevně daná. Vzhledem k rostoucím výpočetním požadavkům roste velikost procesoru, čímž zbývá jen malý prostor na napájecí zdroj.

Alternativy pro návrh napájecího systému

Jedním z přístupů k napájení vestavěných systémů je použít tradiční diskrétní snižovací DC/DC převodníky s řídicím integrovaným obvodem a interními nebo externími výkonovými tranzistory MOSFET, navíc s externími induktory a kondenzátory. Jak již bylo uvedeno výše, pro konstruktéry je řešení napájení s více úrovněmi komplexním a časově náročným procesem. Kromě toho, že konstruktéři musí usilovat o maximální efektivitu a minimální velikost řešení, musí být také opatrní při rozložení a umístění součástek filtrů, aby se snížilo vedené a vyzařované EMI způsobené spínacími proudy v obvodech převodníku a induktoru (obrázek 2).

Obrázek 2: Diskrétní snižovací DC/DC převodníky obsahují mnoho zdrojů EMI, se kterými se musí konstruktéři vypořádat. (Zdroj obrázku: společnost Monolithic Power Systems)

DC/DC převodníky typicky generují vedené EMI prostřednictvím magnetických polí z proudové smyčky vytvořené mezi spínacím uzlem výstupního výkonového tranzistoru připojeného k zemi a vstupním kondenzátorem připojeným k zemi. Z připojení spínacího uzlu MOSFET k induktoru se také generuje vyzařované EMI elektrického pole, které má vysoký poměr dV/dt, protože se neustále přepíná z úrovně vysokého vstupního napětí na zem. EMI se vytváří také z elektromagnetických polí generovaných induktorem. Nesprávně navržený design často vede k opakování časově náročných laboratorních testů EMI a k několika iteracím designu.

Řešení se čtyřmi úrovněmi napájení pro ASIC nebo FPGA pomocí diskrétních snižovacích DC/DC převodníků může zabírat plochu až 1 220 mm² (obrázek 3). Použitím integrovaného obvodu řešení správy napájení PMIC lze tuto plochu snížit na přibližně 350 mm². Jako alternativu mohou konstruktéři použít samostatný DC/DC převodníkový modul se čtyřmi výstupy a zmenšit velikost řešení na pouhých 121 mm². Zároveň se tak zjednoduší proces návrhu a urychlí vývoj produktu do uvedení na trh. Pokroky v procesní technologii polovodičů a konstrukci pouzder vedly k tomu, že nejnovější generace DC/DC modulů dosahují při malé velikosti velmi vysoké hustoty výkonu, vysoké efektivity a dobré hodnoty EMI.

Obrázek 3: Použitím řešení integrovaného DC/DC modulu lze oproti diskrétnímu řešení ušetřit až 90 % místa na desce. (Zdroj obrázku: společnost Monolithic Power Systems)

Nové konstrukční techniky, jako je technologie vodicího rámu pouzdra s technologií flip-chip a „mesh-connect“, umožňují, aby byly integrovaný obvod, induktor a pasivní součástky namontovány přímo na vodicí rám bez nutnosti spojování vodičů i další interní PC desky (obrázek 4). V porovnání se staršími konstrukčními styly, které využívají interní substrát PC desky nebo spojování vodičů, lze délky spojů minimalizovat. Přímé připojení k pasivním součástkám vede k nízké indukčnosti a minimálnímu EMI.

Obrázek 4: Nový způsob konstrukce využívající k propojení vodicí rám má celou řadu výhod: Lépe se reguluje EMI, dochází k lepšímu odvodu tepla a rozměry jsou menší. (Zdroj obrázku: společnost Monolithic Power Systems)

Použití formátu pouzdra LGA („Land Grid Array“), které se připevňuje povrchově na cílovou PC desku, nabízí nižší profil EMI než alternativní pouzdra převodníků SIL („Single-in-Line“) nebo SIL (SIP) s vodiči, které mohou vyzařovat EMI.

Programovatelné integrované DC/DC moduly se čtyřmi výstupy

Ke splnění požadavků vestavěných systémů na více úrovní napájení a vysokou hustotu výkonu mohou konstruktéři využít modul MPM54304 od společnosti Monolithic Power Systems (obrázek 5). Produkt MPM54304 je modul kompletní správy napájení, který zahrnuje čtyři vysoce účinné snižovací DC/DC převodníky, induktory a flexibilní logické rozhraní. S rozsahem vstupního napětí od 4 V do 16 V se výstupní napětí modulu MPM54304 pohybuje mezi 0,55 V až 7 V. Čtyři výstupní úrovně mohou dodávat proud až 3 A, 3 A, 2 A a 2 A. Dvě 3A úrovně a dvě 2A úrovně lze zapojit paralelně, aby dodávaly 6 A, resp. 4 A. Konstruktéři by měli pamatovat na to, že maximální výstupní proud v paralelním režimu je omezen také celkovou výkonovou ztrátou. Tímto způsobem lze generovat několik výstupních konfigurací (závisí na omezeních celkové ztráty výkonu):

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

Obrázek 5: MPM54304 je snižovací modul kompletní správy napájení se čtyřmi výstupy 4 V až 16 V. (Zdroj obrázku: společnost Monolithic Power Systems)

Modul MPM54304 poskytuje také interní sekvence spouštění a vypínání. Konfigurace úrovní a sekvence lze předprogramovat pomocí programovatelné e-pojistky (MTP) nebo prostřednictvím sběrnice I²C.

Tento řídicí DC/DC převodník s fixní frekvencí zapnutí COT („constant-on-time“) poskytuje rychlou odezvu. Výchozí spínací frekvence 1,5 MHz výrazně snižuje externí velikost kondenzátoru. Spínací hodiny jsou během režimu nepřetržitého proudu (CCM) blokovány a fázově posunuty z bucku 1 na buck 4. Výstupní napětí lze nastavit prostřednictvím sběrnice I²C nebo přednastavit pomocí e-pojistky MTP.

Mezi kompletní ochranné funkce patří podpěťové blokování (UVLO), ochrana proti nadproudu (OCP) a vypnutí při určité teplotě. Modul MPM54304 vyžaduje minimální počet externích součástek a je k dispozici v prostorově úsporném pouzdru LGA (7 x 7 x 2 mm) (obrázek 6). Díky nízkému profilu pouzdra LGA je modul vhodný pro umístění na zadní straně desky nebo pod chladičem.

Obrázek 6: Pouzdro LGA modulu MPM54304 poskytuje kompaktní nízkoprofilové řešení s nízkým EMI (zdroj obrázku: společnost Monolithic Power Systems)

Kritéria konstrukce a uspořádání

Modul MPM54304 je vybaven piny podél okraje, což usnadňuje rozložení a návrh PC desky. Celkové řešení je díky pouhým pěti nutným externím součástkám malé a kompaktní. Pouzdro LGA umožňuje, aby zemní rovina pokryla většinu plochy pod modulem, což pomáhá uzavřít smyčky vířivých proudů a dále snížit EMI.

Tento snižovací převodník má diskontinuální vstupní proud a vyžaduje, aby mu kondenzátor dodával střídavý proud při současném udržování vstupního stejnosměrného napětí. K zajištění nejlepšího výkonu by měli konstruktéři použít kondenzátory s nízkým ekvivalentním sériovým odporem (ESR). Kvůli nízkým hodnotám ESR a malým teplotním koeficientům se doporučují keramické kondenzátory s dielektrikem X5R nebo X7R. Pro většinu aplikací jsou dostačující kondenzátory s kapacitou 22 µF.

Kriticky důležitým faktorem pro stabilní provoz modulu MPM54304 je efektivní rozložení PC desky. K dosažení lepších tepelných vlastností se doporučuje čtyřvrstvá PC deska (obrázek 7). K zajištění co nejlepších výsledků by se měli konstruktéři držet těchto pokynů:

• Udržujte napájecí smyčku co nejkratší.
• K přímému připojení k PGND použijte velkou zemnicí rovinu. Je-li zemnicí rovinou spodní vrstva, doporučuje se přidat do blízkosti PGND prokovy.
• Zajistěte, aby cesty na GND a VIN s vysokými proudy byly krátké, přímé a široké.
• Umístěte keramický vstupní kondenzátor co nejblíže k zařízení.
• Umístěte vstupní kondenzátor a IN co nejblíže a nejšířeji u sebe.
• Umístěte kondenzátor VCC co nejblíže k pinům VCC a GND.
• Připojte piny VIN, VOUT a GND k velké měděné ploše, abyste vylepšili tepelné vlastnosti a dlouhodobou spolehlivost.
• Oddělte v horní vrstvě vstupní oblast GND od ostatních oblastí GND a propojte je navzájem v interních vrstvách a spodní vrstvě pomocí několika prokovů.
• Zajistěte, aby na interní nebo spodní vrstvě byla integrovaná oblast GND.
• Pomocí několika prokovů připojte napájecí roviny k interním vrstvám.

Obrázek 7: Při použití napájecího modulu MPM54304 se čtyřmi výstupy se doporučuje čtyřvrstvé rozložení PC desky. (Zdroj obrázku: společnost Monolithic Power Systems)

Závěr

S rozvojem architektur zpracovávání, které řeší vysoce náročné datové aplikace, čelí konstruktéři výzvě vývoje napájecích řešení s několika úrovněmi, která jsou schopna zvládnout zvýšený výkon zpracovávání a elektroniku při stejných nebo i menších rozměrech. Zásadně důležitými součástkami jsou v těchto systémech snižovací DC/DC převodníky, ale jejich implementace může být složitá.

Jak je uvedeno, konstruktéři mohou použít samostatný snižovací DC/DC převodníkový modul s několika napájecími úrovněmi a programovatelnými sekvencemi, což jim zjednoduší proces návrhu a urychlí dobu potřebnou k uvedení produktu na trh. Nové konstrukční techniky také umožňují celou řadu výhod v oblasti výkonu těchto samostatných modulů: Lépe se reguluje EMI, dochází k lepšímu odvodu tepla a rozměry jsou menší.

Doporučeno k přečtení:

1. Využití programovatelných napájecích modulů k urychlení návrhu DC/DC regulátoru