HUF | EUR | USD

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

By Jeff Shepard

Contributed By Digi-Key's North American Editors

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.

Kép – a gyorsítókártyákon levő processzor méretváltozása1. 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).

Kép – diszkrét step-down DC/DC átalakítók2. 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.

Kép – integrált DC/DC modul megoldás (kattintson a nagyításhoz)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.

Kép – a belső csatlakozásokhoz vezetőkeretet használó felépítés4. 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

Kép – a Monolithic Power Systems MPM54304 típusú komplett step-down energiafogyasztás-szabályozó modul5. 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.

Kép – a Monolithic Power Systems MPM54304 típusú energiafogyasztás-szabályozó modul6. 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.

Kép – négyrétegű nyomtatott áramköri kártya elrendezése7. 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

Disclaimer: The opinions, beliefs, and viewpoints expressed by the various authors and/or forum participants on this website do not necessarily reflect the opinions, beliefs, and viewpoints of Digi-Key Electronics or official policies of Digi-Key Electronics.

About this author

Jeff Shepard

Jeff has been writing about power electronics, electronic components, and other technology topics for over 30 years. He started writing about power electronics as a Senior Editor at EETimes. He subsequently founded Powertechniques, a power electronics design magazine, and later founded Darnell Group, a global power electronics research and publishing firm. Among its activities, Darnell Group published PowerPulse.net, which provided daily news for the global power electronics engineering community. He is the author of a switch-mode power supply text book, titled “Power Supplies,” published by the Reston division of Prentice Hall.

Jeff also co-founded Jeta Power Systems, a maker of high-wattage switching power supplies, which was acquired by Computer Products. Jeff is also an inventor, having his name is on 17 U.S. patents in the fields of thermal energy harvesting and optical metamaterials and is an industry source and frequent speaker on global trends in power electronics. He has a Masters Degree in Quantitative Methods and Mathematics from the University of California.

About this publisher

Digi-Key's North American Editors