Jó minőségű egyenáram-ellátás hatékony biztosítása a kritikus terhelések számára, minimális kártyahelyigénnyel

Az ún. „nagy adatokkal” (big data) dolgozó kiszolgálók, valamint az olyan felhasználási területek, mint a gépi tanulás, a mesterséges intelligencia (AI vagy MI), az 5G mobiltelefon-cellák, a dolgok internete (IoT) és a vállalati számítástechnika gyakran igényelnek nagy teljesítményű alkalmazásspecifikus integrált áramköröket (ASIC), helyben programozható logikai kapumátrixokat (FPGA), grafikai processzorokat (GPU) és mikroprocesszorokat (CPU), amelyeknek kis feszültség mellett nagy áramra és nagy fajlagos teljesítményre van szükségük kis alapterületet foglaló eszközből. A teljes rendszer jó minőségű egyenárammal való ellátásának biztosítása érdekében olyan elosztott energiaellátó rendszereket használnak, amelyeknél az egyenáram-átalakítós (DC-DC) áramforrásokat a terhelés közelében (vagy – sajnos, félreérthető – angol megnevezése alapján terheléspontnál (point-of-load, POL)), azaz a nagy teljesítményű processzorok közvetlen közelében helyezik el. Egyetlen nyomtatott áramköri lapon sok ilyen egyenáram-átalakító lehet, ezért a tervezőknek azzal a problémával kell szembenézniük, hogy ezeket az eszközöket a lehető legkisebb méretűre tervezzék, helyet takarítva meg ezzel a nyáklapon. Ugyanakkor meg kell felelniük a teljesítményre, késleltetésre, melegedésre, hatásfokra és megbízhatóságra vonatkozó követelményeknek, miközben egyszerűsíteniük kell a tervezési folyamatot, és alacsonyan kell tartaniuk a költségeket.

Ennek az összetett problémának a megoldásához a nagy teljesítményű félvezetőket passzív alkatrészekkel egészítik ki, fejlett tokozási technikákat használva a magasabb fokú rendszerintegráció megvalósítása érdekében. Ez a jelenleg elérhető más technikákhoz képest kisebb méretet és alacsonyabb profilt eredményez, miközben javítja a hőkezelést. Az integrált áramkörös megközelítés ugyanakkor kordában tartja a tervezési költségeket, beleértve a készletgazdálkodást és a fejlesztési időt is.

Ez a cikk az elosztott áramellátó hálózatok szükségességét és a terhelésközeli áramátalakítók szerepét tárgyalja. Ezt követően bemutatja a TDK Corporation által gyártott terhelésközeli egyenáram-átalakítók (POL DC-DC átalakítók) egyik osztályát, amelynél fejlett tokozási technikát használnak a kívánt teljesítményjellemzők eléréséhez. A cikk kitér ezek kiemelkedő tulajdonságaira is, és bemutatja, hogy a tervezők hogyan használhatják fel ezeket a termékeket a terhelésközeli áramellátás követelményeinek sikeres teljesítéséhez.

Miért van szükség terhelésközeli egyenáram-átalakítós áramforrásokra?

A számítógépekben, a kiszolgálókban és más digitális készülékekben egyre gyakrabban használnak FPGA-kat, ASIC-ket és más fejlett integrált áramkörös eszközöket, amelyek többféle olyan tápfeszültséget is igényelnek, amilyet a rendszer tápegysége nem szolgáltat. Ezen túlmenően a feszültségeket a megfelelő sorrendben, minimális késleltetéssel igénylik. A rendszerek tápegységei általában többféle állandó értékű feszültséget biztosítanak, például 1 V-ot, 3,3 V-ot és 5 V-ot. Egy tipikus FPGA például 1,2 V és 2,5 V közötti feszültségeket igényel (1. ábra).

1. ábra: Egy jellegzetes FPGA többféle feszültséget igényel, amelyek a processzoron belüli egyes funkciókhoz vannak rendelve. Az itt bemutatott processzornak nyolc külön tápbemenete van, és azok három különböző értékű feszültséget használnak (kép: Art Pini)

Egy FPGA-nak legalább a processzormag, valamint a be- és kimeneti (I/O) részek számára külön áramellátást kell biztosítani. A példában szereplő FPGA futtatásához a magot 1,2 V-tal, az I/O funkciókat pedig 2,5 V-tal kell táplálni. Ezenkívül hat további teljesítményszintre van szükség a segédáramkörökhöz. Nyilvánvaló, hogy az FPGA közvetlen közelében elhelyezett hét áramforrás kihívást jelent a nyomtatott áramköri lap kialakításának tervezése során. Figyelembe kell venni a hőelvezetés kérdését is, ezért az áramforrásoknak kicsiknek és jó hatásfokúaknak kell lenniük.

A szabadalmaztatott technika egyedülálló rendszerintegrációt tesz lehetővé

A méretre vonatkozó követelmények teljesítése érdekében a TDK saját tervezésű terhelésközeli egyenáram-átalakítókat fejlesztett ki, amelyeket használva nincs szükség diszkrét alkatrészek egymás melletti elhelyezésére. Ehelyett a saját SESUB (Semiconductor Embedded in SUBstrate, a hordozóanyagba ágyazott félvezető) egy tokba épített rendszer (SiP) technikáján alapuló 3D integrációt alkalmazza. A nyomtatott áramköri lap 250 µm vastag hordozóanyagába nagy teljesítményű félvezetőket ágyaztak be, nevezetesen egy impulzusszélesség-modulációs (PWM) vezérlőegységet és MOSFET-eket, és együtt egy feszültségcsökkentő átalakítót alkotnak. Az áramkör kimenetén lévő tekercsek és kondenzátorok szintén a 3D elrendezésbe vannak integrálva, így egy rendkívül kisméretű, jó hőelvezetésű tokot formáznak (2. ábra).

2. ábra: A szabadalmaztatott SESUB technika a 250 µm vastag hordozóanyagba integrál egy fejlett teljesítményvezérlő IC-t és MOSFET-eket, valamint az áramkör kimenetén lévő tekercseket és kondenzátorokat, így egy nagy integráltsági fokú egyenáram-átalakító modult hoz létre (kép: TDK Corporation)

Egy egyedülálló terhelésközeli áramellátási megoldás

A TDK a SESUB technikát használja a miniatűr μPOL (ejtsd: mikro-POL) egyenáram-átalakítós tápmodulok alapjaként. Az FS140x-xxxx-xx-xx típusjelű termékcsalád 19 változatban kapható, 5 V, 3,3 V, 2,5 V, 1,8 V, 1,5 V, 1,2 V, 1,1 V, 1,05 V, 1 V, 0,9 V, 0,8 V, 0,75 V, 0,7 V és 0,6 V kimeneti feszültséggel. Ezek a típustól függően 3 A és 6 A közötti folyamatos áramleadásra képesek, és 3,3 mm × 3,3 mm × 1,5 mm méretű tokban vannak (3. ábra).

3. ábra: A μPOL egyenáram-átalakító mindössze 3,3 mm × 3,3 mm × 1,5 mm méretű, mégis akár 15 W-ot is képes leadni (kép: TDK Corporation)

Egyedi fizikai kialakításának köszönhetően ez az egyenáramátalakító-család akár 1 W/mm³ fajlagos teljesítményre is képes, így ez a kisméretű tok akár 15 W-ot is képes leadni.

A névleges kimeneti feszültségek gyárilag ±0,5%-os pontossággal vannak beállítva. A beépített I²C-port lehetővé teszi az átalakító helyi vezérlését. A kimeneti feszültségek ±5 mV-os lépésekben állíthatók a gyárilag beállított névleges feszültségtől eltérő értékre.

Betekintés egy FS1406 μPOL átalakító belsejébe

Az FS1406-1800-AL 1,8 V-os egyenáram-átalakító blokkvázlatán látható, hogy a készülék kicsiny mérete ellenére számos kifinomult áramkört tartalmaz (4. ábra).

4. ábra: Az FS1406-1800-AL egyenáram-átalakító blokkvázlata, amelyen számos fejlett áramkör látható, beleértve a belső impulzusszélesség-modulátort (PWM), az I²C-portot, a vezérlő logikát és a kimeneti MOSFET-eket. (kép: TDK Corporation)

Az FS1406-1800-AL névleges kimenő feszültsége 1,8 V, folyamatos terhelhetősége pedig 6 A. A kimenő feszültség értéke az I²C-porton át állítható, 0,6 V és 2,5 V között. Az eszköz 4,5–16 V bemeneti feszültséget igényel, és –40 °C és +125 °C közötti üzemi hőmérséklet-tartományban használható.

Ennek az egyenáram-átalakítónak a lelke a szabadalmaztatott PWM-modulátor, amelyet gyors, tranziens reakciókra terveztek. A PWM-modulátor az átalakító kimenő feszültségével arányos kapcsolási frekvenciával működik. Belső stabilitáskompenzációt tartalmaz, amely külső kompenzációs hálózatok nélkül illeszkedik a kimenetre kapcsolt különböző kondenzátortípusokhoz, így azonnal használható („plug-and-play”). A modulátor PWM-kimenete a nagy teljesítményű MOSFET-ek kapuáramkörét vezérli. A kimeneti szűrőtekercs, mint említettük, a tokban található, ami tovább csökkenti a szükséges külső alkatrészek számát.

Figyeljük meg, hogy az FS1406 tartalmaz egy belső kis feszültségkülönbségű (LDO, low dropout) feszültségszabályozót, amely 5,2 V környékén működik, és a belső áramköröket és a MOSFET-eket táplálja.

A tervezőknek figyelembe kell venniük a beépített védelmi funkciókat is, ezek közé tartozik a lágyindításos védelem, a „Power Good” (a tápfeszültség megfelelő) állapotleíró csatorna, a túlfeszültség elleni védelem, az előfeszítéses indítás, a túlmelegedés miatti leállítás automatikus visszaállítással és a hőkiegyenlítéses túláramvédelem „csuklásos” (hiccup) üzemmóddal. A „csuklásos” üzemmód egy meghatározott időre kikapcsolja a tápegységet, ha túláramos eseményt észlel, majd rövid időre visszakapcsolja, és a hiba megszűnéséig ismétli a ki-be kapcsolgatást.

Az I²C port a kimeneti feszültség beállítására szolgál, valamint lehetővé teszi a rendszer optimalizálási paramétereinek beállítását, beleértve az indítási és védelmi funkciókat is.

Jellegzetes felhasználási terület

Az FS1406 család teljesen integrált kialakítású, és gyárilag a megadott célfeszültségre van beállítva, így nincs szükség kimeneti feszültségosztóra. A kialakítás mindemellett igényel egy minimális kimeneti kapacitást a kimenőjel búgófeszültségének elfogadható mértékűvé tétele és a terhelésszabályozás biztosítása érdekében. Ezenkívül bemeneti áramigényének kezeléséhez egy bemeneti kondenzátorra is szükség van. Az 5. ábra a minimálisan szükséges kiegészítő áramköri elemeket mutatja.

5. ábra: Egy tipikus alkalmazásban az FS1406 μPOL egyenáramátalakító-család tagjaihoz minimálisan csak egy bemeneti és egy kimeneti kondenzátort kell hozzáadni (kép: TDK Corporation)

A bemeneti és a kimeneti kondenzátornak alacsony egyenértékű soros ellenállással kell rendelkeznie. Többrétegű kerámiakondenzátorok használata ajánlott. Az FS1406 adatlapja részletes útmutatást nyújt mind a bemeneti, mind a kimeneti kapacitásérték kiszámításához.

A fejlesztői kártyák segítenek a tervezőknek az indulásban

A μPOL átalakító 1,8 V-os változatához való fejlesztői kártya az EV1406-1800A, amely egy 1,8 V-os kimenettel és 12 V-os bemenettel rendelkező egyenáram-átalakító egyik elrendezését tartalmazza. 0 és 6 A közötti kimenő áramot biztosít, és 63 mm × 84 mm × 1,5 mm méretű (6. ábra).

6. ábra: Az EV1406-1800A fejlesztői kártya mérete 63 mm × 84 mm × 1,5 mm. A μPOL egyenáram-átalakító sárga színnel van kiemelve, ami némi rálátást ad arra, hogy mennyire parányi (kép: TDK Corporation)

A µPOL mérete és áramellátó képessége lehetővé teszi, hogy ezekből az eszközökből több is könnyedén elférjen egy FPGA vagy ASIC körül. A fejlesztői kártya amellett, hogy egy elrendezési mintát ad, üres átmenő furatos alkatrészhelyekkel is el van látva, hogy a felhasználó kísérletezhessen a bemeneti és kimeneti kapacitásértékekkel. Egy csatlakozó is található rajta, amellyel kiválasztható az FS1406-1800 belső előfeszítő tápegysége vagy egy külső feszültségforrás. Egy másik csatlakozó biztosítja a könnyű hozzáférést az I²C porthoz.

Az I²C programozó hardverkulcs

Tervezési segédletként a TDK a TDK-MICRO-POL-DONGLE I²C-programozó kártyát kínálja még, amely a kimeneti feszültség ±5 mV-os lépésekben történő változtatására szolgál. Emellett tehetővé teszi a rendszer védelmi paramétereinek beállítását is. A hardverkulcs egy ingyenes, a TDK által biztosított, grafikus kezelőfelületet (GUI) adó szoftvercsomaggal használható, amely megkönnyíti az átalakító beállítását.

Összegzés

Azon tervezők számára, akiknek megbízható, nagy integráltsági fokú terhelésközeli áramellátásra van szükségük minimális helyigény mellett, a TDK µPOL családjának 19 egyenáram-átalakítóból álló sorozata megfelelő megoldást kínál a felhasználási területek széles skálájához. A család tizennégy gyakran használt kimeneti feszültséget támogat, amelyek mindegyike ±5 mV-os lépésekben állítható az I²C porton keresztül. A µPOL egyedülálló, a szabadalmaztatott SESUB technikán alapuló szerkezete nagy fajlagos teljesítményt kínál, és az eszköz csak minimális számú külső alkatrészt igényel.