Használjon integrált step-down (feszültségcsökkentő) DC/DC modulokat nagy teljesítménysűrűségű, magas hatásfokú, alacsony EMI kibocsátású energiaátalakításhoz.

Az elektronikus eszközök integráltsági fokának és elterjedtségének növekedése miatt a tervezők folyamatos nyomásnak vannak kitéve, hogy javítsák a hatékonyságot, ugyanakkor azonban csökkentsék a költségeket, méreteket és az elektromágneses interferenciát (EMI-t). Miközben a tápegységek energiasűrűsége és hatásfoka javult, a tervezők most azzal a kihívással is szembesülnek, hogy olyan heterogén feldolgozási architektúrákhoz kell többsínű energiaellátási megoldásokat kifejleszteniük, amelyek ASIC, DSP, FPGA áramköröket és mikrovezérlőket tartalmazhatnak.

Az ilyen architektúrák áramellátására hagyományosan step-down (feszültségcsökkentő) DC/DC átalakítókat használnak, de a sínszám növelésével a hagyományos diszkrét, vezérlő IC-vel és belső vagy külső teljesítmény MOSFET-ekkel – valamint külső tekercsekkel és kondenzátorokkal – ellátott step-down DC/DC átalakítók használata bonyolult és időigényes lehet. Ehelyett a tervezők önálló, többsínes és programozható sorrendi indítást biztosító step-down DC/DC átalakító modulokat használhatnak, amelyek jobb EMI-elnyomással rendelkeznek, kevésbé melegszenek és kisebb helyigényűek.

Ez a cikk áttekinti a beágyazott egységek energiaellátási szükségleteit és tárgyalja a különféle megközelítéseket, valamint azt, hogy a tervezőknek mit kell figyelembe venniük az önálló step-down DC/DC modulok koncepciójának alkalmazása előtt. Ezután a Monolithic Power Systems mintaeszközét felhasználva röviden áttekinti azokat a tervezési és elrendezési szempontokat, amelyeket a tervezőknek szem előtt kell tartaniuk a modulok működési képességének maximalizálása érdekében.

Miért van szükség többsínes tápellátásra beágyazott rendszereknél?

A beágyazott rendszerek, mint például az 5G bázisállomások, az okostelefonok és intelligens csatlakoztatott eszközök folyamatosan növekvő adatmennyiség-igényeinek kielégítésére szolgálnak az otthoni és ipari automatizálási rendszerekben, az autonóm járműveknél, az egészségügyben és az intelligens viselhető eszközöknél. Az ilyen bázisállomások általában 48 V-os bemeneti tápfeszültséggel működnek, amelyet DC/DC átalakítók 24 vagy 12 V-os feszültségre csökkentenek, majd több 3,3 V-tól 1 V alatti alsín számára ezt tovább csökkentik, az ASIC, FPGA, DSP és más, az alapsávi feldolgozó fokozatokban működő eszközök táplálására. A tápsínek esetében gyakran sorrendben történő beindításra van szükség, ami a tervezők számára tovább növeli az energiaellátó rendszerek összetettségét.

Az említett 5G bázisállomások esetében például a hagyományos CPU önmagában már nem felel meg ezen feldolgozási követelményeknek. Előnyösen használható azonban egy FPGA-s gyorsítókártya a rendszer újrakonfigurálhatósága, rugalmassága, rövid fejlesztési ciklusa, erős párhuzamos számítási kapacitása és kis várakozási ideje miatt. De az FPGA tápegysége számára rendelkezésre álló hely folyamatosan csökken, és a tápsín megfelelő működésével szembeni követelmények bonyolultak (1. ábra):

• Kimeneti feszültségeltolódás: a feszültségsín kimeneti feszültségeltérésének ±3% alatt kell lennie, és elegendő tűrést kell hagyni a tervezés során. A sávszélesség növelése és a stabilitás biztosítása érdekében történő optimalizálásához a szabályzókörnek leválasztó kondenzátort kell tartalmaznia, amelynek méretezése gondos munkát igényel.
• Monoton indítás: az összes feszültségsín kezdeti feszültségének monoton kell emelkednie, és a kialakításnak meg kell akadályoznia a kimeneti feszültség visszatérését a kiindulási értékre.
• Kimeneti feszültséghullámzás: állandósult üzemállapotban az összes feszültségsín kimeneti feszültséghullámzása (az analóg feszültségsín kivételével) legfeljebb 10 mV lehet.
• Időzítés: az FPGA-kra indítás és leállás közben specifikus időzítési követelmények vonatkoznak.

1. ábra: A megnövekedett számítási igények miatt a gyorsítókártyákon levő processzor mérete megnőtt, kisebb helyet hagyva a tápegység számára. (Kép: Monolithic Power Systems)

Az adatfeldolgozási sávszélességi követelmények növekedésével a processzorok is egyre nagyobb áramot és teljesítményt igényelnek. A gyorsítókártyák számítási sűrűségére és lebegőpontos számítási sebességére vonatkozó követelmények szintén nehezebben teljesíthetők az ipar számára. A gyorsítókártya rendszerint PCIe szabványú, vagyis a mérete rögzített. A növekvő számítási igények miatt a processzor mérete nőtt, kevés helyet hagyva a tápegység számára.

Tervezési alternatívák táprendszerek esetében

A beágyazott rendszerek tápellátásának biztosításakor egyik lehetséges megoldás a vezérlő IC-vel és belső vagy külső teljesítmény MOSFET-ekkel, valamint külső tekercsekkel és kondenzátorokkal ellátott hagyományos diszkrét step-down DC/DC átalakítók használata. Amint a fentiekben kifejtettük, a tervezők számára ennek megvalósítása bonyolult és időigényes folyamat, amikor több sínre kiterjedő tápellátási megoldásokra van szükség. A hatásfok maximalizálásán és a méret minimumra csökkentésén túlmenően a tervezőknek körültekintőnek kell lenniük a szűrőkomponensek elrendezését és elhelyezését tekintve, hogy az átalakító és a tekercs áramköreinek kapcsolási áramai által okozott vezetett és kisugárzott EMI-t a minimumra csökkentsék (2. ábra).

2. ábra: A diszkrét step-down DC/DC átalakítóknál többféle EMI-forrás van, amelyekkel a tervezőknek foglalkozniuk kell. (Kép: Monolithic Power Systems)

A DC/DC átalakítók általában vezetett EMI-t hoznak létre a kimeneti teljesítmény MOSFET földre húzó kapcsoló csomópontja és a bemeneti földelő kondenzátor közötti áramhurok mágneses tere révén. Ezenkívül sugárzott elektromos tér okozta EMI-t is generálnak, egyrészt a MOSFET-nek a tekercs csatlakozásáig terjedő kapcsoló csomópontja révén, amely nagy a dV/dt értékkel rendelkezik, mivel a magas bemeneti feszültségszintről folyamatosan földre vált, másrészt a tekercsen belül keletkező elektromágneses mezők miatt. A megfelelő tervezés hiánya gyakran időigényes EMI-laboratóriumi tesztekkel és a tervezés többszöri megismétlésével jár.

Egy ASIC vagy FPGA áramkört diszkrét step-down DC/DC átalakítók használatával ellátó négysínes megoldás helyigénye 1220 mm² lehet (3. ábra). Ez energiafogyasztás-szabályozási IC (PMIC) alapú megoldással körülbelül 350 mm²-re csökkenthető. Alternatívaképpen a tervezők egy önálló, négykimenetes DC/DC átalakító modult használhatnak a megoldás méretének mindössze 121 mm²-re csökkentéséhez, a tervezési folyamat leegyszerűsítése és a piacra kerülés felgyorsítása mellett. A félvezetők gyártástechnológiájának és a tokozatok tervezésének fejlődése azt jelenti, hogy a DC/DC modulok legújabb generációival nagyon nagy teljesítménysűrűség, magas hatásfok és jó EMI-jellemzők érhetők el kis méret mellett.

3. ábra: Az integrált DC/DC modulos megoldás 90%-os helymegtakarítást jelenthet a kártyán a diszkrét megoldáshoz képest. (Kép: Monolithic Power Systems)

Az új felépítési technológiák, például a tokon belüli flip-chip (a chip az aktív felületével lefelé néz) és a „mesh-connect” lead frame (hálós csatlakozású vezetőkeret) technológiák azt jelentik, hogy az IC, a tekercs és a passzív alkatrészek huzalkötés vagy további belső nyomtatott áramköri kártya nélkül szerelhetők a vezetőkeretre (4. ábra). A régebbi, belső nyomtatott áramköri kártyához való alaplemezt vagy huzalos bekötést alkalmazó felépítési típusokhoz képest a csatlakozási nyomvonalak hossza minimalizálható, és a passzív alkatrészekhez történő közvetlen csatlakozás alacsony értéken tartja az induktivitást az EMI minimalizálása érdekében.

4. ábra: Egy új, az összekapcsolásokhoz vezetőkeretet használó felépítési formának számos előnye van: az EMI jobban kézben tartható, javul a hőelvezetés és csökken a helyigény. (Kép: Monolithic Power Systems)

A felületszereléssel közvetlenül a nyomtatott áramköri kártyára rögzítő land grid array (LGA) tokozás használata kedvezőbb EMI-jellemzőket kínál, mint az alternatív single-in-line (SIL) vagy SIL package (SIP) kialakítású átalakítóké, amelyek vezetékei EMI-t sugározhatnak.

Négykimenetes programozható DC-DC modulok

A beágyazott rendszerek többsínes, nagy teljesítménysűrűségű tápellátási igényeinek kielégítéséhez a tervezők a Monolithic Power Systems MPM54304 típusú termékét használhatják (5. ábra). Az MPM54304 egy komplett energiafogyasztás-szabályozó modul, amely négy nagy hatásfokú step-down DC/DC átalakítót, tekercseket és rugalmas logikai interfészt tartalmaz. Az MPM54304 4...16 V közötti bemeneti feszültségtartománnyal működik, és 0,55...7 V közötti kimeneti feszültségtartományt támogat. A négy kimeneti sín 3 A, 3 A, 2 A és 2 A áram leadására képes. A két-két 3 A-es és 2 A-es sínek párhuzamosíthatók, és 6 A-rel, illetve 4 A-rel terhelhetők. A tervezőknek figyelembe kell venniük, hogy párhuzamos üzemmódban a maximális kimeneti áramot a teljes teljesítménydisszipáció is korlátozza. Ez a rugalmasság több kimeneti konfiguráció létrehozását teszi lehetővé (a teljes teljesítménydisszipáció miatti korláttól függően):

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

5. ábra: Az MPM54304 egy komplett 4...16 V-os bemenetű négykimenetes step-down energiafogyasztás-szabályozó modul. (Kép: Monolithic Power Systems)

Az MPM54304 belső sorrendi indítást és leállítást is biztosít. A sínek konfigurációja és sorrendje többször programozható (MTP) e-biztosítékkal vagy az I²C buszon keresztül előre programozható.

Ez a rögzített frekvenciájú, állandó időre bekapcsolt (COT – Constant On Time) vezérlésű DC/DC átalakító gyors tranziens válaszfüggvénnyel rendelkezik, és 1,5 MHz-es alapértelmezett kapcsolási frekvenciája jelentősen csökkenti a külső kondenzátor méretét. A kapcsoló órajel reteszelt és buck 1-től buck 4-ig fázisban eltolt a folyamatos áramú üzemmódban (CCM) történő működés közben. A kimeneti feszültség az I²C buszon keresztül beállítható, vagy az MTP e-biztosítékkal előre meghatározható.

A védelmi funkciók összességéhez tartozik a feszültséghiány miatti zárolás (UVLO), a túláramvédelem (OCP) és a termikus lekapcsolás. Az MPM54304 minimális számú külső alkatrészt igényel, és helytakarékos (7 mm x 7 mm x 2 mm méretű) LGA tokban kapható (6. ábra). Az LGA tok kis magassága lehetővé teszi a kártya alsó oldalán történő vagy a hűtőborda alatti elhelyezést is.

6. ábra: Az MPM54304 LGA tokja kompakt és kis magasságú megoldást biztosít alacsony EMI sugárzással (Kép: Monolithic Power Systems).

Tervezési és elrendezési szempontok

Az MPM54304 kivezetései egyszerűen a széleken találhatók, megkönnyítve az elrendezés és a kártya tervezését. A kis méretű és kompakt teljes megoldás mindössze öt külső alkatrészt igényel. Az LGA tok lehetővé teszi, hogy egy szilárd alapsík fedje le a modul alatti terület nagy részét, ami elősegíti az örvényáramú hurkok zárását és tovább csökkenti az EMI-t.

Ez a step-down átalakító szakaszos bemeneti árammal működik, és kondenzátorra van szükség a váltóáram betáplálásához a DC bemeneti feszültség fenntartása mellett. A tervezőknek a legjobb teljesítmény érdekében kis egyenértékű soros ellenállású (ESR) kondenzátorokat kell használniuk. X5R vagy X7R dielektrikummal rendelkező kerámia kondenzátorok használata célszerű, az alacsony ESR és a kis hőmérsékleti együtthatók miatt. A legtöbb alkalmazás esetében 22 µF kapacitású kondenzátorok használata elegendő.

Az MPM54304 stabil működéséhez elengedhetetlen a nyomtatott áramköri kártya hatékony kialakítása. A legjobb termikus jellemzők eléréséhez négyrétegű nyomtatott áramköri kártya ajánlott (7. ábra), valamint a legjobb eredmények érdekében a tervezőknek be kell tartaniuk a következő irányelveket:

• A tápellátó hurok legyen a lehető legrövidebb.
• Nagy földelőfelületet kell használni a PGND-hez való közvetlen csatlakoztatásra. Ha az alsó réteg a földelő felület, akkor a PGND közelében viák elhelyezése szükséges.
• A GND és a VIN nagyáramú áramútjai rövid, egyenes és széles sávok legyenek.
• A kerámia bemeneti kondenzátor a lehető legközelebb legyen az eszközhöz.
• A bemeneti kondenzátor és az IN kivezetés vezetősávjai legyenek a lehető legrövidebbek és legszélesebbek.
• A VCC kondenzátor legyen a lehető legközelebb a VCC és GND kivezetésekhez.
• A VIN, VOUT és GND kivezetéseket nagy rézfelületekhez kell csatlakoztatni a termikus jellemzők és a hosszú idejű megbízhatóság javítása érdekében.
• A bemeneti GND területét el kell választani a felső rétegen levő többi GND területtől és többszörös viákkal a belső rétegeken kell összekötni őket.
• Biztosítani kell egy integrált GND meglétét a belső vagy az alsó rétegen.
• Többszörös viákat kell használni a betáplálás vezetősávjainak a belső rétegekhez való csatlakoztatására.

7. ábra: Az MPM54304 négykimenetű tápellátó modul alkalmazásához négyrétegű nyomtatott áramköri kártya használata célszerű. (Kép: Monolithic Power Systems)

Összegzés

A nagyigényű adatalkalmazások feldolgozási architektúráinak fejlődésével a tervezők azzal a kihívással szembesülnek, hogy olyan többsínes tápellátási megoldásokat kell kifejleszteniük, amelyek képesek támogatni a megnövekedett feldolgozási teljesítményt változatlan vagy csökkenő méretű elektronikai komponensek mellett. A step-down DC/DC átalakítók kritikus komponensek az ilyen rendszerek tápellátási megoldásainak megtervezésében, de megvalósításuk bonyolult lehet.

Mint láthattuk, a tervezők önálló, többszörös sínekkel és programozható sorrenddel rendelkező DC/DC átalakító modulokat használhatnak, egyszerűsítve a tervezési folyamatot és felgyorsítva a piacra kerülési időt. Az ezeket az önálló modulokat lehetővé tevő új felépítési technikák számos előnnyel rendelkeznek a teljesítőképesség terén: az EMI jobban kézben tartható, javul a hőelvezetés és csökken a helyigény.

Ajánlott olvasnivaló

1. Programozható tápellátó modulok alkalmazása DC/DC szabályozók tervezésének felgyorsításához